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s3c2440的USB主机控制器

发布时间：2021-04-27 发布时间：
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s3c2440提供了USB主机接口，它与OHCI v1.0完全兼容。要使用该功能，就必须熟悉OHCI v1.0规范；而要熟悉OHCI v1.0规范，那么还必须先熟悉USB v1.1协议。因此涉及到该部分的内容较多，要想正确使用s3c2440所提供的USB主机接口也不是一件容易的事情。在这里，我主要介绍USB设备枚举过程中所涉及到的一些知识，并给出具体的实现程序。

OHCI（Open HCI）是目前使用比较广泛的三种USB主机控制器规范之一。USB体系结构是由四个主要部分组成：客户软件/USB驱动，主机控制器驱动（HCD），主机控制器（HC）和USB驱动。前两者由软件实现，后两者由硬件实现。而OHCI就是规范了主机控制器驱动和主机控制器之间的接口，以及它们的基本操作。在主机控制器驱动和主机控制器之间，有两个通信通道，第一个是应用位于HC的一套可操作寄存器，它们包括控制寄存器、状态寄存器和列表指针寄存器；另一个通道是应用称为主机控制器通信域（HCCA）的共享内存。

USB定义了四种数据传输类型：控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。在OHCI规范中把数据传输类型分为两类：周期传输和非周期传输。同步传输和中断传输属于周期传输，控制传输和批量传输属于非周期传输。USB定义了每帧的周期为1.0毫秒，为了保证每一帧都能发生周期传输和非周期传输，一般地，OHCI把每一帧的带宽分为四个部分，首先是发送SOF，然后是非周期传输，紧接着是周期传输，如果周期传输完毕后，还有时间，则剩余的时间仍然留给非周期传输。

端点描述符（ED）和传输描述符（TD）是两个最基本的通信模块。ED包含了一个端点的信息，它被HC用来管理使用端点。ED的典型参数包括端点地址、传输速度、最大数据包大小，另外ED还提供了TD链表的停靠地（锚点）。TD是一个依赖于ED的内存缓存区，用于与端点之间进行数据传输。当HC存取一个ED，并且找到一个有效的TD地址时，则HC就完成了一个简单的与端点之间的传输任务，这个端点是由ED确定，而所存取的数据内存地址由TD指定。当所有的被TD所定义的数据传输完毕后，TD就从ED中解链出来，并链接到完成列表中。这个完成列表能够被HCD所处理，以提供一些完成信息。

ED的数据结构长度为16字节，它的数据域有：
FA：USB的功能地址；
EN：USB功能内的端点地址；
D：数据流的传输方向，是IN，OUT，还是有TD来决定传输方向；
S：速度，全速还是低速；
K：用于设置跳过当前ED；
F：链接于ED的TD的形式，是通用TD格式还是同步TD格式；
MPS：数据传输的最大字节大小；
TailP：TD列表的尾指针；
H：用于停止当前TD列表的处理；
C：数据翻转进位位；
HeadP：TD列表的头指针；
NextED：下一个要处理的ED指针。

根据上述说明，我们可以定义ED为下面的数据类型：
typedef struct _ED {
volatile unsigned int Control;
volatile unsigned int TailP;
volatile unsigned int HeadP;
volatile unsigned int NextEd;
} ED, *P_ED;

由于ED必须是16字节地址对齐形式，因此我们必须用下面的形式来声明它的变量：
__align(16) ED ed;

我们可以用下面的函数来创建一个ED：
__inline void CreateEd(
unsigned int EDAddr,//ED地址指针
unsigned int MaxPacket,//MPS
unsigned int TDFormat,//F
unsigned int Skip,//K
unsigned int Speed,//S
unsigned int Direction,//D
unsigned int EndPt,//EN
unsigned int FuncAddress,//FA
unsigned int TDQTailPntr,//TailP
unsigned int TDQHeadPntr,//HeadP
unsigned int ToggleCarry,//C
unsigned int NextED)//NextED
{
P_ED pED = (P_ED) EDAddr;
pED->Control = (MaxPacket << 16) | (TDFormat << 15) |(Skip << 14) | (Speed << 13)
| Direction << 11) | (EndPt << 7) | FuncAddress;
pED->TailP = (TDQTailPntr & 0xFFFFFFF0);
pED->HeadP = (TDQHeadPntr & 0xFFFFFFF0) | (ToggleCarry << 1);
pED->NextEd = (NextED & 0xFFFFFFF0);
}

TD共有两种类型：通用TD和同步TD。通用TD用于中断、控制和批量端点，同步TD用于同步传输。在这里，我们只给出通用TD的数据结构和定义。

通用TD的数据结构长度也是16字节，它的数据域有：
R：缓存凑整，用于设置是否需要最后一个数据包的长度与所定义的长度一致；
DP：方向，是IN，OUT，还是SETUP；
DI：延时中断；
T：数据翻转；
EC：传输错误计数；
CC：条件码，为上一次企图传输的状态；
CBP：将要被传输的数据内存物理地址；
NextTD：下一个TD；
BE：将要被传输的数据内存物理末字节地址；

根据上述说明，我们可以定义通用TD为下面的数据类型：
typedef struct _TD {
volatile unsigned int Control;
volatile unsigned int CBP;
volatile unsigned int NextTD;
volatile unsigned int BE;
} TD, *P_TD;

由于通用TD必须是16字节地址对齐形式，因此我们必须用下面的形式来声明它的变量：
__align(16) TD td[4];

我们可以用下面的函数来创建一个通用TD：
__inline void CreateGenTd(
unsigned int GenTdAddr,//TD地址指针
unsigned int DataToggle,//T
unsigned int DelayInterrupt,//DI
unsigned int Direction,//DP
unsigned int BufRnding,//R
unsigned int CurBufPtr,//CBP
unsigned int NextTD,//NextTD
unsigned int BuffLen)//被传输的数据长度，由该变量可以得到BE
{
P_TD pTD = (P_TD) GenTdAddr;
pTD->Control = (DataToggle << 24) | (DelayInterrupt << 21)
| (Direction << 19) | (BufRnding << 18);
pTD->CBP = CurBufPtr;
pTD->NextTD = (NextTD & 0xFFFFFFF0);
pTD->BE = (BuffLen) ? CurBufPtr + BuffLen - 1 : CurBufPtr;
}

下面我们给出HCCA的数据结构，它的长度为256字节，包括128字节的HCCA中断表，2字节的HCCA帧数，2字节的HCCA便签（表示HC是否正在更新HCCA帧数），4字节的HCCA完成队列头指针，以及116字节的保留区。根据上述说明，我们可以定义HCCA为下面的数据类型：
typedef struct _HCCA {
volatile unsigned int HccaInterruptTable[32];
volatile unsigned short HccaFrameNumber;
volatile unsigned short HccaPad1;
volatile unsigned int HccaDoneHead;
volatile unsigned char reserved[116];
} HCCA, *P_HCCA;

由于HCCA必须是256字节地址对齐形式，因此我们必须用下面的形式来声明它的变量：
__align(256) HCCA hcca;

OHCI是基于寄存器层描述的USB主机控制器的规范，因此HC包含了一些片内可操作寄存器，这些寄存器同样可以被HCD所使用。下面我们就简单介绍OHCI中的寄存器。
HcRevision：HCI规范版本；
HcControl：HC的操作模式，CBSR——在非周期队列中，被服务的控制ED与批量ED之间的比例；CLE——下一帧控制队列处理使能；HCFS——USB主机控制器功能状态，包括复位、重新开始、操作和中止；
HcCommandStatus：HC接收来至HCD的命令，也可反映HC的当前状态，HCR——软件复位HC；CLF——确定是否有控制队列TD；
HcInterruptStatus：提供各种能够触发硬件中断事件的状态；
HcInterruptEnable：使能用于控制产生硬件中断事件的位；
HcInterruptDisable：无效用于控制产生硬件中断事件的位
HcHCCA：HCCA的物理地址；
HcPeriodCurrentED：当前同步或中断ED的物理地址；
HcControlHeadED：控制队列的第一个ED的物理地址；
HcControlCurrentED：当前控制对立ED的物理地址；
HcBulkHeadED：批量队列的第一个ED的物理地址；
HcBulkCurrentED：当前批量对立ED的物理地址；
HcDoneHead：被添加在完成队列中的最近一个TD的物理地址；
HcFmInterval：包含一个14位的FI——用于表示一帧之内所占用的比特时间，2个连续的SOFs，和一个15位PSMPS——用于表示在没有引发调度溢出下可发送或接收全速最大包大小，FI，PSMPS的推荐值为0x2EDF和0x2778。
HcFmRemaining：14位的倒计数器，以表示当前帧所剩时间；
HcFmNumber：16位计数器，以提供时序参考；
HcPeriodicStart：14位可编程数值，以确定HC在什么时间开始执行周期队列；
HcLSThreshold：11位数值，用于确定是否在EOF之前执行最大8位LS包传输；
HcRhDescriptorA：第一个对跟集线器进行描述的寄存器；
HcRhDescriptorB：第二个对跟集线器进行描述的寄存器；
HcRhStatus：包括集线器状态域和集线器状态更改域；
HcRhPortStstus[1:NDP]：用于控制和报告每个端口上的事件，在s3c2440中，NDP为2

下面给出OHCI的初始化，它都是基于寄存器的。根据OHCI规范，HCD应该完成下列初始化步骤：
●初始化HCCA数据内存单元
●初始化可操作寄存器，以匹配当前设备数据状态
●设置HcHCCA
●设置HcInterruptEnable
●设置HcControl
●设置HcPeriodicStart

结合本文所介绍的实际内容，OHCI的初始化函数为：
void OHCIInit( )
{
unsigned int fminterval;

//复位
rHcControl = 0;
//写HCCA
rHcHCCA = (volatile unsigned )&hcca;

//设置帧间隔
fminterval = 0x2edf;
rHcFmInterval =((((fminterval - 210) * 6) / 7) << 16)| fminterval;
rHcPeriodicStart= (fminterval * 9) / 10;

//初始化HcDoneHead
rHcDoneHead = 0x00;
hcca.HccaDoneHead = 0x0000;

//设置HC为运行状态
rHcControl = 0x80;
}

主机对USB设备的识别过程称为设备枚举，因此枚举对于USB至关重要。在本文，只进行下列简单的5步枚举过程：
1、主机要求得到设备描述符，SETUP数据包为：0x80, 0x06,0x00,0x01,0x00,0x00,0x40,0x00，得到的数据长度最大为0x40；
2、第二个SETUP包是为设备分配一个地址，内容一般为：0x00,0x05,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00。其中的02表示为设备分配的地址为0x02，以后我们再对该设备操作时，就只能使用0x02这个地址值；
3、主机用新的地址再次获取设备描述符，SETUP包为：0x80,0x06,0x00,0x01,0x00,0x00,0x12,0x00，与上次不同，这次得到数据长度时实际的数据长度0x12；
4、主机读取设备全部配置描述符，SETUP包为：0x80,0x06,0x00,0x02,0x00,0x00,0x40,0x00，由于主机不知道设备描述符的长度，因此这里只要求得到0x40个字节；
5、主机发送SETUP数据包：0x00,0x09,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00，用以设置配置，允许所有端点进入工作状态。
对USB设备枚举我们只做了简单的介绍，关于枚举的其他步骤以及SETUP数据包各个字节的具体含义，请阅读USB协议的第9章。

下面我们就主要介绍OHCI规范是如何完成USB设备枚举的。前面我们已经介绍过了，OHCI数据传输主要依靠ED和TD，其中TD是挂靠在ED上的。ED主要用来设置传输的各种参数，TD则主要负责具体的数据传输。根据USB协议，USB的设备枚举只涉及控制传输。控制传输最少有两个事务阶段：建立和状态，控制传输可以有选择性地包括建立和状态阶段之间的数据阶段。在这里，控制写传输不需要数据阶段，而控制读需要在建立和状态之间添加主机要读取到的数据。一般来说，完成一次控制写传输需要3个TD：第一个发送Setup包，第二个用于接收握手或零长度的数据包，第三个用于发送状态；而完成一次控制读传输需要4个TD：第一个发送Setup包，第二个用于接收数据，第三个用于发送一个零长度的数据包，，第四个用于接收状态。

下面给出具体的USB设备枚举的函数。在进行枚举之前，主机一定要确认有USB设备的存在。正确情况下，在确认过程中，如果在一段给定时间没有检测到设备，则主机认为没有USB设备。“一段给定的时间”应该由定时器来完成。在这里，为了简化程序，我们只用计数来代替定时。
int USB_Enum()
{
int i;
//判断有无USB设备
for(i=0;i<100000;i++)
{
if (rHcRhPortStatus1 & 0x01)
{
rHcRhPortStatus1 = (1 << 4);//端口复位
while (rHcRhPortStatus1 & (1 << 4))
;//等待复位结束
rHcRhPortStatus1 = (1 << 1);//使能该端口
break;
}
else if (rHcRhPortStatus2 & 0x01)
{
rHcRhPortStatus2 = (1 << 4);//端口复位
while (rHcRhPortStatus2 & (1 << 4))
;//等待复位结束
rHcRhPortStatus2 = (1 << 1);//使能该端口
break;
}
}

if (i>90000)
return 0x44;

//第一步，主机得到设备描述符
CreateEd(
(unsigned int) &ed,// ED Address
64,// Max packet
0,// TD format
0,// Skip
0,// Speed
0x0,// Direction
0x0,// Endpoint
0x0,// Func Address，初始为0
(unsigned int) &td[3],// TDQTailPointer
(unsigned int) &td[0],// TDQHeadPointer
0,// ToggleCarry
0x0);// NextED

//建立PID
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[0],// TD Address
2,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x0,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pSetup1,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
//const char pSetup1[8] ={0x80,0x06,0x00,0x01,0x00,0x00,0x40,0x00};
(unsigned int) &td[1],// Next TD
8);// Buffer Length

//接收数据
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[1],// TD Address
0,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pData1,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
// char pData1[0x40];通过读取该数组，可以获知设备描述符
(unsigned int) &td[2],// Next TD
0x40);// Buffer Length

//零长度数据包
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[2],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x1,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) &td[3],// Next TD
0x0);// Buffer Length

//接收状态
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[3],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) 0,// Next TD
0x0);// Buffer Length

//设置寄存器
rHcControlHeadED = (unsigned int )& ed;
rHcControlCurrentED = (unsigned int )& ed;

//控制列表处理使能，开始工作
rHcControl = 0x90;

//通知HC控制列表已填充
rHcCommandStatus = 0x02;


//第二步为设备分配地址
CreateEd(
(unsigned int) &ed,// ED Address
64,// Max packet
0,// TD format
0,// Skip
0,// Speed
0x0,// Direction
0,// Endpoint
0,// Func Address
(unsigned int) &td[2],// TDQTailPointer
(unsigned int) &td[0],// TDQHeadPointer
0,// ToggleCarry
0x0);// NextED

//建立PID
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[0],// TD Address
2,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
0,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pSetup2,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
//const char pSetup2[8] ={0x00,0x05,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
(unsigned int) &td[1],// Next TD
8);// Buffer Length

//接收零长度数据包
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[1],// TD Address
0,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
2,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) 0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) &td[2],// Next TD
0);// Buffer Length

//发送状态
CreateGenTd(
(unsigned int) &td[2],// TD Address
3,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
1,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) 0,// Next TD
0x0);// Buffer Length

rHcControlHeadED = (unsigned int )& ed;
rHcControlCurrentED = (unsigned int )& ed;
rHcControl = 0x90;
rHcCommandStatus = 0x02;

//第三步，主机用新的地址再次获取设备描述符
CreateEd(
(unsigned int) &ed, // ED Address
64,// Max packet
0,// TD format
0,// Skip
0,// Speed
0x0,// Direction
0x0,// Endpoint
0x2,// Func Address，新的地址
(unsigned int) &td[3],// TDQTailPointer
(unsigned int) &td[0],// TDQHeadPointer
0,// ToggleCarry
0x0);// NextED

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[0],// TD Address
2,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x0,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pSetup3,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
//const char pSetup3[8] ={0x80,0x06,0x00,0x01,0x00,0x00,0x12,0x00};
(unsigned int) &td[1],// Next TD
8);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[1],// TD Address
0,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pData3,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
// char pData3[0x12];通过读取该数组，可以获知设备描述符
(unsigned int) &td[2],// Next TD
0x12);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[2],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x1,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) &td[3],// Next TD
0x0);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[3],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) 0,// Next TD
0x0);// Buffer Length

rHcControlHeadED = (unsigned int )& ed;
rHcControlCurrentED = (unsigned int )& ed;
rHcControl = 0x90;
rHcCommandStatus = 0x02;

//第四步，主机读取设备全部配置描述符
CreateEd(
(unsigned int) &ed, // ED Address
64,// Max packet
0,// TD format
0,// Skip
0,// Speed
0x0,// Direction
0x0,// Endpoint
0x2,// Func Address
(unsigned int) &td[3],// TDQTailPointer
(unsigned int) &td[0],// TDQHeadPointer
0,// ToggleCarry
0x0);// NextED

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[0],// TD Address
2,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x0,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pSetup4,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
//const char pSetup4[8] ={0x80,0x06,0x00,0x02,0x00,0x00,0x40,0x00};
(unsigned int) &td[1],// Next TD
8);// Buffer Length


CreateGenTd(
(unsigned int) &td[1],// TD Address
0,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pData4,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
// char pData4[0x40];通过读取该数组，可以获知配置描述符
(unsigned int) &td[2],// Next TD
0x40);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[2],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x1,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) &td[3],// Next TD
0x0);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[3],// TD Address
3,// Data Toggle
0x2,// DelayInterrupt
0x2,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) 0,// Next TD
0x0);// Buffer Length

rHcControlHeadED = (unsigned int )& ed;
rHcControlCurrentED = (unsigned int )& ed;
rHcControl = 0x90;
rHcCommandStatus = 0x02;


//第五步，主机发送SETUP数据包,用以设置配置，允许所有端点进入工作状态。
CreateEd(
(unsigned int) &ed, // ED Address
64,// Max packet
0,// TD format
0,// Skip
0,// Speed
0x0,// Direction
0,// Endpoint
2,// Func Address
(unsigned int) &td[2],// TDQTailPointer
(unsigned int) &td[0],// TDQHeadPointer
0,// ToggleCarry
0x0);// NextED

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[0],// TD Address
2,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
0,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) pSetup5,// Current Buffer Pointer，定义的全局变量数组
//const char pSetup5[8] ={0x00,0x09,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
(unsigned int) &td[1],// Next TD
8);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[1],// TD Address
0,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
2,// Direction
1,// Buffer Rounding
(unsigned int) 0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) &td[2],// Next TD
0);// Buffer Length

CreateGenTd(
(unsigned int) &td[2],// TD Address
3,// Data Toggle
2,// DelayInterrupt
1,// Direction
1,// Buffer Rounding
0x0,// Current Buffer Pointer
(unsigned int) 0,// Next TD
0x0);// Buffer Length

rHcControlHeadED = (unsigned int )& ed;
rHcControlCurrentED = (unsigned int )& ed;
rHcControl = 0x90;
rHcCommandStatus = 0x02;

return 0x88;
}

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