USB主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
3．1 USB主機(jī)端的軟件結(jié)構(gòu)
Linux USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)議棧由3部分組成：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)、USB驅(qū)動(dòng)(USBD)和各種不同的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)(如插入主機(jī)的U盤(pán)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等設(shè)備驅(qū)動(dòng))是最終與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，負(fù)責(zé)建立虛擬連接、配置，與設(shè)備進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)集成一個(gè)USB請(qǐng)求塊(URB)，然后通過(guò)USB驅(qū)動(dòng)(USBD)提供的編程接口將URB發(fā)送到USBD。USBD部分是整個(gè)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心。
USBD完成以下工作：USB設(shè)備的枚舉和配置，根據(jù)需要裝載或卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，向上為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供編程接口，向下為主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)提供編程接口，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)程序的通信。
處于最底層USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)是USB主機(jī)直接與硬件交互的軟件模塊。HCD作為底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，一方面控制和管理底層硬件，負(fù)責(zé)將USB事務(wù)發(fā)送給USB主機(jī)控制器，并最終將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到電纜上；另一方面為上層的USB系統(tǒng)軟件提供統(tǒng)一接口HCI(Host ControllerInterface)，將各種不同的HC映射到USB系統(tǒng)。HC一般都集成有Root Hub的功能，HCD也要實(shí)現(xiàn)Root Hub Port訪問(wèn)。
USBD部分由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般不需要用戶修改。USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)，對(duì)于常用的設(shè)備Linux內(nèi)核中有較成熟的驅(qū)動(dòng)。針對(duì)特定的主機(jī)控制器硬件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)HCD部分，以解決基本的通信問(wèn)題。故這里主要介紹EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)的設(shè)計(jì)。
3．2 EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)過(guò)程主要針對(duì)EZ-Host主機(jī)控制器編寫(xiě)USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)下USB協(xié)議棧和EZ-Host主機(jī)控制器的一個(gè)接口，其作用類似于Linux中由Intel制定的UHCI標(biāo)準(zhǔn)，其硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但軟件較為復(fù)雜。
USB主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)(HCD)在USB子系統(tǒng)中的功能主要有：硬件初始化，為上層(USBD)提供調(diào)用接口，管理根Hub，完成數(shù)據(jù)傳輸以及中斷處理。根據(jù)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)在整個(gè)USB子系統(tǒng)中的功能，可將EZ-Host HCD分為HCD接口、HCD初始化、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理、讀寫(xiě)操作、主機(jī)協(xié)議等模塊。HCD接口模塊表現(xiàn)為一套API函數(shù)，通過(guò)這一套API函數(shù)使HCD與USBD進(jìn)行通信。圖3為EZ-Host主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)。

1)初始化。該初到始化涉及到復(fù)位EZ-Host控制器，并將其初始化到一個(gè)已知的狀態(tài)；初始化必要的USB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并為其分配空間；注冊(cè)USB host driver和USB host bus interface到USB host core；注冊(cè)USB host core的中斷服務(wù)程序；為每一個(gè)主端口建立一個(gè)虛擬根Hub，并且注冊(cè)根hub到USBhost eore。2)中斷處理。EZ-Host主控制器中斷采用電平觸發(fā)，當(dāng)中斷服務(wù)程序注冊(cè)到USB子系統(tǒng)后，EZ-Host主控制器開(kāi)始處理中斷。3)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸處理程序在初始化的過(guò)程中注冊(cè)到USB主端子系統(tǒng)，它由USB host core喚醒并配置外圍設(shè)備，發(fā)送塊數(shù)據(jù)，或確認(rèn)塊數(shù)據(jù)的接收。4)接收數(shù)據(jù)。接收處理程序處理數(shù)據(jù)包的接收，它由中斷處理程序喚醒。數(shù)據(jù)接收處理程序詢問(wèn)EZ-Host主控制器是否有接收錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則接收處理程序從EZ-Host主控制器的緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后接收程序?qū)?shù)據(jù)傳送到USB host eore，等待進(jìn)一步處理。5)主機(jī)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。HCD從Linux USB協(xié)議棧接收并解析USB請(qǐng)求，然后建立基于該請(qǐng)求的USB交互(transactions)，該交互被合理調(diào)度安排并發(fā)送到USB總線上。
3．3 HCD的關(guān)鍵接口設(shè)計(jì)
實(shí)際工作過(guò)程中，應(yīng)用程序通過(guò)文件系統(tǒng)接口訪問(wèn)相應(yīng)的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序和USBD；USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序則通過(guò)USBD提供的相關(guān)接口(USBDI)將數(shù)據(jù)請(qǐng)求包傳遞給USBD；USBD通過(guò)HCD提供的接口(HCI)進(jìn)一步將數(shù)據(jù)包傳遞給HCD；HCD最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線。
主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)中，最重要的接口是主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)HCD與USBD之間的接口。在Linux內(nèi)核中，用usb_hcd結(jié)構(gòu)體表示USBD接口，用來(lái)描述主機(jī)控制器(HC)的基本信息、硬件資源、狀態(tài)描述和用于操作主機(jī)控制器的hc_driver等。其中usb_hcd中的hc_driver成員非常重要，它包括具體用于操作主機(jī)控制器的鉤子函數(shù)。在Linux內(nèi)核中，使用如下函數(shù)創(chuàng)建HCD：
struct USB_hcd*USB_create_hcd(const stroct hc_driver*driver，struct device*dev，char*bus_name)；
struct hc_driver可看作USBD模塊定義的需要底層主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的接口，通過(guò)實(shí)現(xiàn)這些接口，USBD可將更上層軟件的請(qǐng)求傳遞給HCD以及HC，HC及HCD完成后，也會(huì)通過(guò)這些接口通知USBD。