當(dāng)前有關(guān) USB 的開發(fā),少數(shù)基于單 片的無OS(operating system)的USB 主機開發(fā)大都是由個人完成,其軟件的耦合度高、接 口不夠清晰、可重用性低。而LINUX 中的USB 主機驅(qū)動程序由于其復(fù)雜性和對系統(tǒng)的依賴 性,對其在無OS 平臺上的移植帶來了一定的困難。
論文以Compaq、Microsoft 等公開的 USB 主機控制器接口規(guī)范為基礎(chǔ),遵循USB 主機的協(xié)議規(guī)范,開發(fā)了獨立于操作系統(tǒng)的USB 主機底層驅(qū)動程序,并在S3C2410 平臺上得到了驗證。下面詳細(xì)論述主機控制器接口規(guī)范及 驅(qū)動程序?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 機上的USB 主機系統(tǒng)結(jié) 構(gòu),同時對一些在嵌入式系統(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)動通 過加工和分解IRP,構(gòu)建相應(yīng)的URB(Universal Request Block)并通過HCD(Host Controller Driver)提供的接口傳遞給主控制器驅(qū)動程序HCD。HCD 處理URB 并建立相應(yīng)的端點ED 和傳輸數(shù)據(jù)TD,其基本信息包括:USB 設(shè)備地址和端點號、數(shù)據(jù)傳輸類型、最大包長度、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HC(Host Controller)進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸。HCD 還負(fù)責(zé)主機控制器HC 的管理,通過一組硬件寄存器來控制HC。HC 通過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、差錯處理、 遠(yuǎn)程喚醒、幀產(chǎn)生等功能。
HC 是USB 主機系統(tǒng)的硬件核心,它位于USB 協(xié)議棧中最低層,HC 向上提供一個接口 規(guī)范HCI(Host Controller Interface),HCD 是此接口的具體實現(xiàn)。目前USB 的HC 芯片組有三 種,而隨之對應(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)動程序?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)。
3 HCD 的實現(xiàn)
USB 主機控制器驅(qū)動程序(HCD)是USB 軟件協(xié)議棧最底層一部分。HCD 向上僅對 USBD 提供服務(wù),HCD 提供一個軟件接口,即HCDI(HCD Interface),接受USBD 的調(diào)用和 管理。HCD 通過HC 的操作寄存器和通信域來管理HC 和實現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)的傳輸。HCD 具體 實現(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ED 對應(yīng)一個USB 設(shè)備端點,不同的設(shè)備端點擁有不同的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)傳輸和等時數(shù)據(jù)傳輸同屬此類),HC 通過相應(yīng)的操作寄存 器訪問各個鏈表。每個ED 是4 個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TD
U32 hwHeadP;//指向該ED 相關(guān)TD 鏈的首TD
U32 hwNextED;//指向下個ED
//以下部分只是供HCD 使用
struct ed *ed_prev;//指向前個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 是個定長數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),HC 通過訪問TD 來獲取相關(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TD(Isochronous TD),GTD 用來支持USB 的中斷、批量、控制三種數(shù)據(jù)傳輸方式,ITD 用來支持USB 等時數(shù)據(jù)傳輸。 GTD 是個有4 個32 位數(shù)組成的數(shù)據(jù)區(qū),而ITD 則是有8 個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 接口的實現(xiàn)
HCD 向USBD 提供了以下三個接口函數(shù),USBD 通過這些接口函數(shù)訪問主機控制器。定 義如下:
U32 get_frame_number(struct usb_device*usb_dev);//讀取主機控制器幀數(shù)目
U32 ohci_submit_urb (struct urb *urb);//提交一個urb 給HCD
U32 ohci_unlink_urb (struct urb *urb)//從HCD 上取消一個已提交的urb
當(dāng)USBD對來自上層的IRP 請求包處理并建立URB后,通過接口函數(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HC 的驅(qū)動,包括對主機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 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HC 的配置和驅(qū)動等操作。由于對可重用性考慮和便于對HC 的管理,首 先定義了一個OHCI 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對主機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。主機控制器硬件通過寄存器訪問每個鏈表來得到相關(guān)的USB 數(shù)據(jù)包,并將其發(fā)送到USB 總線上。主機控制器驅(qū)動程序則根據(jù)實際的數(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TD 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,同時屬于同一個USB 設(shè)備端點的TD 被鏈接在一起,并掛在相應(yīng)的ED 上。
當(dāng)主機控制器完成鏈接在相關(guān)鏈表上的TD 后,會將該TD 從相應(yīng)的鏈表上取下,并鏈 接到完成數(shù)據(jù)鏈表上。主機控制器驅(qū)動程序則通過對該鏈表的訪問來獲得已經(jīng)傳輸完成的數(shù) 據(jù)包。此時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 試驗實例
由USBD 層初始化URB 結(jié)構(gòu),并通過HCD 的接口函數(shù)ohci_submit_urb()傳遞給HCD 層。通過在S3C2410 實驗平臺上的實驗表明主機控制器驅(qū)動程序能夠很好的向USBD 層提 供服務(wù)并管理HC。
5 結(jié)束語
主機控制器是USB 主機系統(tǒng)的硬件核心,主機控制器驅(qū)動則是USB 系統(tǒng)軟件的最底層實 現(xiàn)。依據(jù)在USB 協(xié)議底層的主機開發(fā)的實踐,詳細(xì)介紹了基于OHCI 的主機控制器的接口規(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),實現(xiàn)了獨立于操作系統(tǒng)的HCD。
本文作者創(chuàng)新點:實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中OHCI 的主機控制器驅(qū)動,對整個USB 協(xié)議棧采 用模塊化分層設(shè)計,開發(fā)的HCD 獨立于操作系統(tǒng),適合于無系統(tǒng)的單片USB 主機。