基于单片无操作系统的 USB 主机控制器接口

论文以Compaq、Microsoft 等公开的 USB 主机控制器接口规范为基础,遵循USB 主机的协议规范,开发了独立于操作系统的USB 主机底层驱动程序,并在S3C2410 平台上得到了验证。下面详细论述主机控制器接口规范及 驱动程序实现。

2 USB 体系结构

    USB 体系包括一系列的硬件层和软件层,如图1 所示。

    为了实现其可重用性和适合嵌入式系统特性，图 1 借鉴了PC 机上的USB 主机系统结 构，同时对一些在嵌入式系统中不必要的功能进行了取舍。用户程序和USB 设备类驱动通 过加工和分解IRP,构建相应的URB（Universal Request Block）并通过HCD(Host Controller Driver)提供的接口传递给主控制器驱动程序HCD。HCD 处理URB 并建立相应的端点ED 和传输数据TD,其基本信息包括：USB 设备地址和端点号、数据传输类型、最大包长度、传输 方向、传输速度和内存缓冲区地址等,细节在下文介绍。然后启动HC(Host Controller)进行数 据传输。HCD 还负责主机控制器HC 的管理,通过一组硬件寄存器来控制HC。HC 通过USB 总线与设备相连,在HCD 的控制下处理数据的输入输出。HC 还提供协议引擎、差错处理、 远程唤醒、帧产生等功能。

    HC 是USB 主机系统的硬件核心,它位于USB 协议栈中最低层,HC 向上提供一个接口 规范HCI(Host Controller Interface),HCD 是此接口的具体实现。目前USB 的HC 芯片组有三 种,而随之对应的HCI 也有三种:EHCI(Enhanced Host ControllerInterface);OHCI(Open Host Controller Interface);UHCI(Universal Host Controller Interface)。论文将以嵌入式系统中应用较 多的OHCI 为例,介绍接口规范和驱动程序实现细节。

3 HCD 的实现

    USB 主机控制器驱动程序（HCD）是USB 软件协议栈最底层一部分。HCD 向上仅对 USBD 提供服务，HCD 提供一个软件接口，即HCDI(HCD Interface)，接受USBD 的调用和 管理。HCD 通过HC 的操作寄存器和通信域来管理HC 和实现USB 数据的传输。HCD 具体 实现如下：

3.1 HCD 数据结构的构建

    HCD 主要构建的数据结构有端点描述符ED(Endpoint Descriptor)、传输描述符TD(Transfer Descriptor)。

    3.1.1 ED（Endpoint Descriptor）

    在OHCI 上，每个ED 对应一个USB 设备端点，不同的设备端点拥有不同的ED。同种 传输类型的ED 组成一链表，OHCI 有三种ED 链表：控制传输数据链表、批量传输数据链 表和周期性数据链表（中断数据传输和等时数据传输同属此类），HC 通过相应的操作寄存 器访问各个链表。每个ED 是4 个32 位数组成的结构。如下表：

    程序中的ED 数据结构定义如下：

struct ed {

U32 hwINFO;//ED 的配置位图

U32 hwTailP;//指向该ED 相关TD 链的最后一个TD

U32 hwHeadP;//指向该ED 相关TD 链的首TD

U32 hwNextED;//指向下个ED

//以下部分只是供HCD 使用

struct ed *ed_prev;//指向前个ED

U8 state;//ED 的状态（ed_new,ed_unlink,ed_oper,ed_del,ed_urb_del）

U8 type;//传输类型（pipe_control,pipe_bulk,pipe_interupt,pipe_iso）

struct ed *ed_rm_list;//指向移除的ED 链

struct usb_device *usb_dev;//对应的USB 设备

void *purb;//指向相应的urb

//以下用于处理周期性链表

U8 int_branch;

U8 int_load;

U8 int_interval;

U16 last_iso;

};

    3.1.2 TD(Transfer Descriptor)

    TD 是个定长数据结构，HC 通过访问TD 来获取相关的数据传输缓冲区和一些标志信 息等。传输描述符TD 包括两种：通用TD（General TD）和等时TD(Isochronous TD)，GTD 用来支持USB 的中断、批量、控制三种数据传输方式，ITD 用来支持USB 等时数据传输。 GTD 是个有4 个32 位数组成的数据区，而ITD 则是有8 个32 位数组成的数据区。由于篇 幅限制程序中的TD 结构就不多叙。

3.2 HCD 与USBD 接口的实现

HCD 向USBD 提供了以下三个接口函数，USBD 通过这些接口函数访问主机控制器。定 义如下：

U32 get_frame_number(struct usb_device*usb_dev);//读取主机控制器帧数目

U32 ohci_submit_urb (struct urb *urb);//提交一个urb 给HCD

U32 ohci_unlink_urb (struct urb *urb)//从HCD 上取消一个已提交的urb

    当USBD对来自上层的IRP 请求包处理并建立URB后，通过接口函数ohci_submit_urb( ) 向HCD 传递URB。ohci_submit_urb()先获得或分配相应的ED 并做一些与ED 相关的配置处 理，分配所需数目的TD。然后调用td_submit_urb()处理与TD 相关的操作，最后将由HC 执行相应的传输处理。

3.3 HCD 的数据管理

    HCD 的主要功能是完成对HC 的驱动，包括对主机控制器的硬件初始化和控制管理， 并与HC 合作完成USB 各种事务处理。它将各种要传输的数据TD 链入相应的ED 并启动 HC 进行传输，HC 把接收的数据存入相应的TD，HCD 则将这些结果返回给USBD 层，此 外HCD 还完成对HC 的配置和驱动等操作。由于对可重用性考虑和便于对HC 的管理，首 先定义了一个OHCI 的数据结构，通过这个数据结构来对主机控制器和各种传输类型的数据 进行管理。该结构体具体如下：

typedef struct ohci{

struct root_hub rh;//根集线器的结构体

struct ohci_hcca *hcca;//HCCA 结构体

struct ohci_regs *regs;//OHCI 操作寄存器结构体

struct usb_device *dev;//USB 设备

U32 hc_control;//控制寄存器的copy

int ohci_int_load[32]; //32 个中断链使用

ed_t *ed_rm_list[2]; //指向移除的ED 链

ed_t *ed_bulktail; //批量传输ED 的链尾

ed_t *ed_controltail; //控制传输ED 的链尾

U32 status;//HC 工作状态

}ohci_t;

    OHCI 规范中定义了4 个链表：控制传输数据链表，批量传输数据链表，完成数据链表 和周期性数据链表，其中除了完成数据链表是一维链表外，其他的链表都是二维链表(如图 2 所示)，主要由数据结构TD 和ED 组成。主机控制器硬件通过寄存器访问每个链表来得到相关的USB 数据包，并将其发送到USB 总线上。主机控制器驱动程序则根据实际的数据传 输需要，构建相应的ED 并将要传输的数据转为TD 格式，所有的同类型ED 被连接在一起， 而TD 表述才是最终要在USB 总线上传输的数据包，同时属于同一个USB 设备端点的TD 被链接在一起，并挂在相应的ED 上。

    当主机控制器完成链接在相关链表上的TD 后，会将该TD 从相应的链表上取下，并链 接到完成数据链表上。主机控制器驱动程序则通过对该链表的访问来获得已经传输完成的数 据包。此时HCD 可以将这些返回的数据放入到相应的URB 中，由USBD 向上层传输。

4 试验实例

    由USBD 层初始化URB 结构，并通过HCD 的接口函数ohci_submit_urb()传递给HCD 层。通过在S3C2410 实验平台上的实验表明主机控制器驱动程序能够很好的向USBD 层提 供服务并管理HC。

5 结束语

    主机控制器是USB 主机系统的硬件核心,主机控制器驱动则是USB 系统软件的最底层实 现。依据在USB 协议底层的主机开发的实践,详细介绍了基于OHCI 的主机控制器的接口规 范,列举了所构建的数据结构以及接口函数,实现了独立于操作系统的HCD。

    本文作者创新点：实现了嵌入式系统中OHCI 的主机控制器驱动，对整个USB 协议栈采 用模块化分层设计，开发的HCD 独立于操作系统，适合于无系统的单片USB 主机。