基于OHCI的嵌入式USB主機控制器接口實現

摘要：本文介紹了基于OHCI的USB主機系統的硬件核心主機控制器接口規范,分析USB協議棧的硬件層實現。結合了可重用的嵌入式USB主機系統研究課題,闡述主機控制器驅動程序開發方法,并列舉了驅動程序內建的數據結構及接口函數的實現。完成了獨立于操作系統的HCD 開發,最后在S3C2410平臺下進行了實驗驗證。

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：