當(dāng)前有關(guān) USB 的開(kāi)發(fā),少數(shù)基于單 片的無(wú)OS（operating system）的USB 主機(jī)開(kāi)發(fā)大都是由個(gè)人完成，其軟件的耦合度高、接 口不夠清晰、可重用性低。而LINUX 中的USB 主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序由于其復(fù)雜性和對(duì)系統(tǒng)的依賴 性，對(duì)其在無(wú)OS 平臺(tái)上的移植帶來(lái)了一定的困難。
論文以Compaq、Microsoft 等公開(kāi)的 USB 主機(jī)控制器接口規(guī)范為基礎(chǔ),遵循USB 主機(jī)的協(xié)議規(guī)范,開(kāi)發(fā)了獨(dú)立于操作系統(tǒng)的USB 主機(jī)底層驅(qū)動(dòng)程序,并在S3C2410 平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。下面詳細(xì)論述主機(jī)控制器接口規(guī)范及 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。
2 USB 體系結(jié)構(gòu)
USB 體系包括一系列的硬件層和軟件層,如圖1 所示。
為了實(shí)現(xiàn)其可重用性和適合嵌入式系統(tǒng)特性，圖 1 借鑒了PC 機(jī)上的USB 主機(jī)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，同時(shí)對(duì)一些在嵌入式系統(tǒng)中不必要的功能進(jìn)行了取舍。用戶程序和USB 設(shè)備類驅(qū)動(dòng)通 過(guò)加工和分解IRP,構(gòu)建相應(yīng)的URB（Universal Request Block）并通過(guò)HCD(Host Controller Driver)提供的接口傳遞給主控制器驅(qū)動(dòng)程序HCD。HCD 處理URB 并建立相應(yīng)的端點(diǎn)ED 和傳輸數(shù)據(jù)TD,其基本信息包括：USB 設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸類型、最大包長(zhǎng)度、傳輸 方向、傳輸速度和內(nèi)存緩沖區(qū)地址等,細(xì)節(jié)在下文介紹。然后啟動(dòng)HC(Host Controller)進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸。HCD 還負(fù)責(zé)主機(jī)控制器HC 的管理,通過(guò)一組硬件寄存器來(lái)控制HC。HC 通過(guò)USB 總線與設(shè)備相連,在HCD 的控制下處理數(shù)據(jù)的輸入輸出。HC 還提供協(xié)議引擎、差錯(cuò)處理、 遠(yuǎn)程喚醒、幀產(chǎn)生等功能。
HC 是USB 主機(jī)系統(tǒng)的硬件核心,它位于USB 協(xié)議棧中最低層,HC 向上提供一個(gè)接口 規(guī)范HCI(Host Controller Interface),HCD 是此接口的具體實(shí)現(xiàn)。目前USB 的HC 芯片組有三 種,而隨之對(duì)應(yīng)的HCI 也有三種:EHCI(Enhanced Host ControllerInterface);OHCI(Open Host Controller Interface);UHCI(Universal Host Controller Interface)。論文將以嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用較 多的OHCI 為例,介紹接口規(guī)范和驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)。
3 HCD 的實(shí)現(xiàn)
USB 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）是USB 軟件協(xié)議棧最底層一部分。HCD 向上僅對(duì) USBD 提供服務(wù)，HCD 提供一個(gè)軟件接口，即HCDI(HCD Interface)，接受USBD 的調(diào)用和 管理。HCD 通過(guò)HC 的操作寄存器和通信域來(lái)管理HC 和實(shí)現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)的傳輸。HCD 具體 實(shí)現(xiàn)如下：
3.1 HCD 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
HCD 主要構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有端點(diǎn)描述符ED(Endpoint Descriptor)、傳輸描述符TD(Transfer Descriptor)。
3.1.1 ED（Endpoint Descriptor）
在OHCI 上，每個(gè)ED 對(duì)應(yīng)一個(gè)USB 設(shè)備端點(diǎn)，不同的設(shè)備端點(diǎn)擁有不同的ED。同種 傳輸類型的ED 組成一鏈表，OHCI 有三種ED 鏈表：控制傳輸數(shù)據(jù)鏈表、批量傳輸數(shù)據(jù)鏈 表和周期性數(shù)據(jù)鏈表（中斷數(shù)據(jù)傳輸和等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸同屬此類），HC 通過(guò)相應(yīng)的操作寄存 器訪問(wèn)各個(gè)鏈表。每個(gè)ED 是4 個(gè)32 位數(shù)組成的結(jié)構(gòu)。如下表：
程序中的ED 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
struct ed {
U32 hwINFO;//ED 的配置位圖
U32 hwTailP;//指向該ED 相關(guān)TD 鏈的最后一個(gè)TD
U32 hwHeadP;//指向該ED 相關(guān)TD 鏈的首TD
U32 hwNextED;//指向下個(gè)ED
//以下部分只是供HCD 使用
struct ed *ed_prev;//指向前個(gè)ED
U8 state;//ED 的狀態(tài)（ed_new,ed_unlink,ed_oper,ed_del,ed_urb_del）
U8 type;//傳輸類型（pipe_control,pipe_bulk,pipe_interupt,pipe_iso）
struct ed *ed_rm_list;//指向移除的ED 鏈
struct usb_device *usb_dev;//對(duì)應(yīng)的USB 設(shè)備
void *purb;//指向相應(yīng)的urb
//以下用于處理周期性鏈表
U8 int_branch;
U8 int_load;
U8 int_interval;
U16 last_iso;
};
3.1.2 TD(Transfer Descriptor)
TD 是個(gè)定長(zhǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，HC 通過(guò)訪問(wèn)TD 來(lái)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)和一些標(biāo)志信 息等。傳輸描述符TD 包括兩種：通用TD（General TD）和等時(shí)TD(Isochronous TD)，GTD 用來(lái)支持USB 的中斷、批量、控制三種數(shù)據(jù)傳輸方式，ITD 用來(lái)支持USB 等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。 GTD 是個(gè)有4 個(gè)32 位數(shù)組成的數(shù)據(jù)區(qū)，而ITD 則是有8 個(gè)32 位數(shù)組成的數(shù)據(jù)區(qū)。由于篇 幅限制程序中的TD 結(jié)構(gòu)就不多敘。
3.2 HCD 與USBD 接口的實(shí)現(xiàn)
HCD 向USBD 提供了以下三個(gè)接口函數(shù)，USBD 通過(guò)這些接口函數(shù)訪問(wèn)主機(jī)控制器。定 義如下：
U32 get_frame_number(struct usb_device*usb_dev);//讀取主機(jī)控制器幀數(shù)目
U32 ohci_submit_urb (struct urb *urb);//提交一個(gè)urb 給HCD
U32 ohci_unlink_urb (struct urb *urb)//從HCD 上取消一個(gè)已提交的urb
當(dāng)USBD對(duì)來(lái)自上層的IRP 請(qǐng)求包處理并建立URB后，通過(guò)接口函數(shù)ohci_submit_urb( ) 向HCD 傳遞URB。ohci_submit_urb()先獲得或分配相應(yīng)的ED 并做一些與ED 相關(guān)的配置處 理，分配所需數(shù)目的TD。然后調(diào)用td_submit_urb()處理與TD 相關(guān)的操作，最后將由HC 執(zhí)行相應(yīng)的傳輸處理。
3.3 HCD 的數(shù)據(jù)管理
HCD 的主要功能是完成對(duì)HC 的驅(qū)動(dòng)，包括對(duì)主機(jī)控制器的硬件初始化和控制管理， 并與HC 合作完成USB 各種事務(wù)處理。它將各種要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)TD 鏈入相應(yīng)的ED 并啟動(dòng) HC 進(jìn)行傳輸，HC 把接收的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的TD，HCD 則將這些結(jié)果返回給USBD 層，此 外HCD 還完成對(duì)HC 的配置和驅(qū)動(dòng)等操作。由于對(duì)可重用性考慮和便于對(duì)HC 的管理，首 先定義了一個(gè)OHCI 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)主機(jī)控制器和各種傳輸類型的數(shù)據(jù) 進(jìn)行管理。該結(jié)構(gòu)體具體如下：
typedef struct ohci{
struct root_hub rh;//根集線器的結(jié)構(gòu)體struct ohci_hcca *hcca;//HCCA 結(jié)構(gòu)體
struct ohci_regs *regs;//OHCI 操作寄存器結(jié)構(gòu)體
struct usb_device *dev;//USB 設(shè)備
U32 hc_control;//控制寄存器的copy
int ohci_int_load[32]; //32 個(gè)中斷鏈?zhǔn)褂?/p>
ed_t *ed_rm_list[2]; //指向移除的ED 鏈
ed_t *ed_bulktail; //批量傳輸ED 的鏈尾
ed_t *ed_controltail; //控制傳輸ED 的鏈尾
U32 status;//HC 工作狀態(tài)
}ohci_t;
OHCI 規(guī)范中定義了4 個(gè)鏈表：控制傳輸數(shù)據(jù)鏈表，批量傳輸數(shù)據(jù)鏈表，完成數(shù)據(jù)鏈表 和周期性數(shù)據(jù)鏈表，其中除了完成數(shù)據(jù)鏈表是一維鏈表外，其他的鏈表都是二維鏈表(如圖 2 所示)，主要由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TD 和ED 組成。主機(jī)控制器硬件通過(guò)寄存器訪問(wèn)每個(gè)鏈表來(lái)得到相關(guān)的USB 數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到USB 總線上。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序則根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳 輸需要，構(gòu)建相應(yīng)的ED 并將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)為T(mén)D 格式，所有的同類型ED 被連接在一起， 而TD 表述才是最終要在USB 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，同時(shí)屬于同一個(gè)USB 設(shè)備端點(diǎn)的TD 被鏈接在一起，并掛在相應(yīng)的ED 上。
當(dāng)主機(jī)控制器完成鏈接在相關(guān)鏈表上的TD 后，會(huì)將該TD 從相應(yīng)的鏈表上取下，并鏈 接到完成數(shù)據(jù)鏈表上。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序則通過(guò)對(duì)該鏈表的訪問(wèn)來(lái)獲得已經(jīng)傳輸完成的數(shù) 據(jù)包。此時(shí)HCD 可以將這些返回的數(shù)據(jù)放入到相應(yīng)的URB 中，由USBD 向上層傳輸。
4 試驗(yàn)實(shí)例
由USBD 層初始化URB 結(jié)構(gòu)，并通過(guò)HCD 的接口函數(shù)ohci_submit_urb()傳遞給HCD 層。通過(guò)在S3C2410 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)表明主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序能夠很好的向USBD 層提 供服務(wù)并管理HC。
5 結(jié)束語(yǔ)
主機(jī)控制器是USB 主機(jī)系統(tǒng)的硬件核心,主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)則是USB 系統(tǒng)軟件的最底層實(shí) 現(xiàn)。依據(jù)在USB 協(xié)議底層的主機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)踐,詳細(xì)介紹了基于OHCI 的主機(jī)控制器的接口規(guī) 范,列舉了所構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及接口函數(shù),實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于操作系統(tǒng)的HCD。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中OHCI 的主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，對(duì)整個(gè)USB 協(xié)議棧采 用模塊化分層設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)的HCD 獨(dú)立于操作系統(tǒng)，適合于無(wú)系統(tǒng)的單片USB 主機(jī)。