作者：劉鋒 韓超汪磊峰 葉愛玲
1 引言
當前有關 USB 的開發,大多是針對USB 外設或是USB 高層驅動程序開發,少數基于單 片的無OS（operating system）的USB 主機開發大都是由個人完成，其軟件的耦合度高、接 口不夠清晰、可重用性低。而LINUX 中的USB 主機驅動程序由于其復雜性和對系統的依賴 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 主機控制器接口規范為基礎,遵循USB 主機的協議規范,開發了獨立于操作系統的USB 主機底層驅動程序,并在S3C2410 平臺上得到了驗證。下面詳細論述主機控制器接口規范及 驅動程序實現。
2 USB 體系結構
USB 體系包括一系列的硬件層和軟件層,如圖1 所示。
為了實現其可重用性和適合嵌入式系統特性，圖 1 借鑒了PC 機上的USB 主機系統結 構，同時對一些在嵌入式系統中不必要的功能進行了取舍。用戶程序和USB 設備類驅動通 過加工和分解IRP,構建相應的URB（Universal Request Block）并通過HCD(Host Controller Driver)提供的接口傳遞給主控制器驅動程序HCD。HCD 處理URB 并建立相應的端點ED 和傳輸數據TD,其基本信息包括：USB 設備地址和端點號、數據傳輸類型、最大包長度、傳輸 方向、傳輸速度和內存緩沖區地址等,細節在下文介紹。然后啟動HC(Host Controller)進行數 據傳輸。HCD 還負責主機控制器HC 的管理,通過一組硬件寄存器來控制HC。HC 通過USB 總線與設備相連,在HCD 的控制下處理數據的輸入輸出。HC 還提供協議引擎、差錯處理、 遠程喚醒、幀產生等功能。
HC 是USB 主機系統的硬件核心,它位于USB 協議棧中最低層,HC 向上提供一個接口 規范HCI(Host Controller Interface),HCD 是此接口的具體實現。目前USB 的HC 芯片組有三 種,而隨之對應的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中應用較 多的OHCI 為例,介紹接口規范和驅動程序實現細節。
3 HCD 的實現
USB 主機控制器驅動程序（HCD）是USB 軟件協議棧最底層一部分。HCD 向上僅對 USBD 提供服務，HCD 提供一個軟件接口，即HCDI(HCD Interface)，接受USBD 的調用和 管理。HCD 通過HC 的操作寄存器和通信域來管理HC 和實現USB 數據的傳輸。HCD 具體 實現如下：
3.1 HCD 數據結構的構建
HCD 主要構建的數據結構有端點描述符ED(Endpoint Descriptor)、傳輸描述符TD(Transfer Descriptor)。
3.1.1 ED（Endpoint Descriptor）
在OHCI 上，每個ED 對應一個USB 設備端點，不同的設備端點擁有不同的ED。同種 傳輸類型的ED 組成一鏈表，OHCI 有三種ED 鏈表：控制傳輸數據鏈表、批量傳輸數據鏈 表和周期性數據鏈表（中斷數據傳輸和等時數據傳輸同屬此類），HC 通過相應的操作寄存 器訪問各個鏈表。每個ED 是4 個32 位數組成的結構。如下表：
程序中的ED 數據結構定義如下：
struct ed {
U32 hwINFO;//ED 的配置位圖
U32 hwTailP;//指向該ED 相關TD 鏈的最后一個TD
U32 hwHeadP;//指向該ED 相關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（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;//對應的USB 設備
void *purb;//指向相應的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 是個定長數據結構，HC 通過訪問TD 來獲取相關的數據傳輸緩沖區和一些標志信 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、控制三種數據傳輸方式，ITD 用來支持USB 等時數據傳輸。 GTD 是個有4 個32 位數組成的數據區，而ITD 則是有8 個32 位數組成的數據區。由于篇 幅限制程序中的TD 結構就不多敘。
3.2 HCD 與USBD 接口的實現
HCD 向USBD 提供了以下三個接口函數，USBD 通過這些接口函數訪問主機控制器。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USBD對來自上層的IRP 請求包處理并建立URB后，通過接口函數ohci_submit_urb( ) 向HCD 傳遞URB。ohci_submit_urb()先獲得或分配相應的ED 并做一些與ED 相關的配置處 理，分配所需數目的TD。然后調用td_submit_urb()處理與TD 相關的操作，最后將由HC 執行相應的傳輸處理。
3.3 HCD 的數據管理
HCD 的主要功能是完成對HC 的驅動，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 各種事務處理。它將各種要傳輸的數據TD 鏈入相應的ED 并啟動 HC 進行傳輸，HC 把接收的數據存入相應的TD，HCD 則將這些結果返回給USBD 層，此 外HCD 還完成對HC 的配置和驅動等操作。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 的數據結構，通過這個數據結構來對主機控制器和各種傳輸類型的數據 進行管理。該結構體具體如下：
typedef struct ohci{
struct root_hub rh;//根集線器的結構體
struct ohci_hcca *hcca;//HCCA 結構體
struct ohci_regs *regs;//OHCI 操作寄存器結構體
struct usb_device *dev;//USB 設備
U32 hc_control;//控制寄存器的copy
int ohci_int_load[32]; //32 個中斷鏈使用
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
}ohci_t;
OHCI 規范中定義了4 個鏈表：控制傳輸數據鏈表，批量傳輸數據鏈表，完成數據鏈表 和周期性數據鏈表，其中除了完成數據鏈表是一維鏈表外，其他的鏈表都是二維鏈表(如圖 2 所示)，主要由數據結構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的USB 數據包，并將其發送到USB 總線上。主機控制器驅動程序則根據實際的數據傳 輸需要，構建相應的ED 并將要傳輸的數據轉為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 總線上傳輸的數據包，同時屬于同一個USB 設備端點的TD 被鏈接在一起，并掛在相應的ED 上。
當主機控制器完成鏈接在相關鏈表上的TD 后，會將該TD 從相應的鏈表上取下，并鏈 接到完成數據鏈表上。主機控制器驅動程序則通過對該鏈表的訪問來獲得已經傳輸完成的數 據包。此時HCD 可以將這些返回的數據放入到相應的URB 中，由USBD 向上層傳輸。
4 試驗實例
由USBD 層初始化URB 結構，并通過HCD 的接口函數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動程序能夠很好的向USBD 層提 供服務并管理HC。
5 結束語
主機控制器是USB 主機系統的硬件核心,主機控制器驅動則是USB 系統軟件的最底層實 現。依據在USB 協議底層的主機開發的實踐,詳細介紹了基于OHCI 的主機控制器的接口規 范,列舉了所構建的數據結構以及接口函數,實現了獨立于操作系統的HCD。
本文作者創新點：實現了嵌入式系統中OHCI 的主機控制器驅動，對整個USB 協議棧采 用模塊化分層設計，開發的HCD 獨立于操作系統，適合于無系統的單片USB 主機。