USB主機控制器的設計

3 驅(qū)動程序設計
3．1 USB主機端的軟件結構
Linux USB主機驅(qū)動協(xié)議棧由3部分組成：USB主機控制器驅(qū)動(HCD)、USB驅(qū)動(USBD)和各種不同的USB設備類驅(qū)動，如圖2所示。

USB設備類驅(qū)動(如插入主機的U盤、鼠標、鍵盤等設備驅(qū)動)是最終與應用程序交互的軟件模塊，負責建立虛擬連接、配置，與設備進行通信，將數(shù)據(jù)集成一個USB請求塊(URB)，然后通過USB驅(qū)動(USBD)提供的編程接口將URB發(fā)送到USBD。USBD部分是整個USB主機驅(qū)動的核心。
USBD完成以下工作：USB設備的枚舉和配置，根據(jù)需要裝載或卸載設備驅(qū)動程序，向上為設備驅(qū)動程序提供編程接口，向下為主機控制器驅(qū)動提供編程接口，實現(xiàn)與設備驅(qū)動程序、主機控制驅(qū)動程序的通信。
處于最底層USB主機控制器驅(qū)動(HCD)是USB主機直接與硬件交互的軟件模塊。HCD作為底層硬件的驅(qū)動程序，一方面控制和管理底層硬件，負責將USB事務發(fā)送給USB主機控制器，并最終將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到電纜上；另一方面為上層的USB系統(tǒng)軟件提供統(tǒng)一接口HCI(Host ControllerInterface)，將各種不同的HC映射到USB系統(tǒng)。HC一般都集成有Root Hub的功能，HCD也要實現(xiàn)Root Hub Port訪問。
USBD部分由操作系統(tǒng)實現(xiàn)，一般不需要用戶修改。USB設備類驅(qū)動，對于常用的設備Linux內(nèi)核中有較成熟的驅(qū)動。針對特定的主機控制器硬件應該實現(xiàn)HCD部分，以解決基本的通信問題。故這里主要介紹EZ-Host主機控制器驅(qū)動(HCD)的設計。
3．2 EZ-Host主機控制器驅(qū)動(HCD)設計
開發(fā)過程主要針對EZ-Host主機控制器編寫USB主機控制器驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序是嵌入式Linux開發(fā)平臺下USB協(xié)議棧和EZ-Host主機控制器的一個接口，其作用類似于Linux中由Intel制定的UHCI標準，其硬件設計比較簡單，但軟件較為復雜。
USB主機控制器的驅(qū)動(HCD)在USB子系統(tǒng)中的功能主要有：硬件初始化，為上層(USBD)提供調(diào)用接口，管理根Hub，完成數(shù)據(jù)傳輸以及中斷處理。根據(jù)主機控制器驅(qū)動(HCD)在整個USB子系統(tǒng)中的功能，可將EZ-Host HCD分為HCD接口、HCD初始化、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理、讀寫操作、主機協(xié)議等模塊。HCD接口模塊表現(xiàn)為一套API函數(shù)，通過這一套API函數(shù)使HCD與USBD進行通信。圖3為EZ-Host主機控制器驅(qū)動模塊結構。

1)初始化。該初到始化涉及到復位EZ-Host控制器，并將其初始化到一個已知的狀態(tài)；初始化必要的USB數(shù)據(jù)結構并為其分配空間；注冊USB host driver和USB host bus interface到USB host core；注冊USB host core的中斷服務程序；為每一個主端口建立一個虛擬根Hub，并且注冊根hub到USBhost eore。2)中斷處理。EZ-Host主控制器中斷采用電平觸發(fā)，當中斷服務程序注冊到USB子系統(tǒng)后，EZ-Host主控制器開始處理中斷。3)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸處理程序在初始化的過程中注冊到USB主端子系統(tǒng)，它由USB host core喚醒并配置外圍設備，發(fā)送塊數(shù)據(jù)，或確認塊數(shù)據(jù)的接收。4)接收數(shù)據(jù)。接收處理程序處理數(shù)據(jù)包的接收，它由中斷處理程序喚醒。數(shù)據(jù)接收處理程序詢問EZ-Host主控制器是否有接收錯誤，如果沒有錯誤，則接收處理程序從EZ-Host主控制器的緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到一個數(shù)據(jù)結構，然后接收程序?qū)?shù)據(jù)傳送到USB host eore，等待進一步處理。5)主機協(xié)議實現(xiàn)。HCD從Linux USB協(xié)議棧接收并解析USB請求，然后建立基于該請求的USB交互(transactions)，該交互被合理調(diào)度安排并發(fā)送到USB總線上。
3．3 HCD的關鍵接口設計
實際工作過程中，應用程序通過文件系統(tǒng)接口訪問相應的USB設備類驅(qū)動程序和USBD；USB設備類驅(qū)動程序則通過USBD提供的相關接口(USBDI)將數(shù)據(jù)請求包傳遞給USBD；USBD通過HCD提供的接口(HCI)進一步將數(shù)據(jù)包傳遞給HCD；HCD最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線。
主機控制器驅(qū)動中，最重要的接口是主機控制器驅(qū)動HCD與USBD之間的接口。在Linux內(nèi)核中，用usb_hcd結構體表示USBD接口，用來描述主機控制器(HC)的基本信息、硬件資源、狀態(tài)描述和用于操作主機控制器的hc_driver等。其中usb_hcd中的hc_driver成員非常重要，它包括具體用于操作主機控制器的鉤子函數(shù)。在Linux內(nèi)核中，使用如下函數(shù)創(chuàng)建HCD：
struct USB_hcd*USB_create_hcd(const stroct hc_driver*driver，struct device*dev，char*bus_name)；
struct hc_driver可看作USBD模塊定義的需要底層主機控制器驅(qū)動實現(xiàn)的接口，通過實現(xiàn)這些接口，USBD可將更上層軟件的請求傳遞給HCD以及HC，HC及HCD完成后，也會通過這些接口通知USBD。