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基于单片无操作系统的 USB 主机控制器接口

发布时间:2020-06-22 发布时间:
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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。



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