USB主機控制器的設計

3 驅動(dòng)程序設計
3．1 USB主機端的軟件結構
Linux USB主機驅動(dòng)協(xié)議棧由3部分組成：USB主機控制器驅動(dòng)(HCD)、USB驅動(dòng)(USBD)和各種不同的USB設備類(lèi)驅動(dòng)，如圖2所示。

USB設備類(lèi)驅動(dòng)(如插入主機的U盤(pán)、鼠標、鍵盤(pán)等設備驅動(dòng))是最終與應用程序交互的軟件模塊，負責建立虛擬連接、配置，與設備進(jìn)行通信，將數據集成一個(gè)USB請求塊(URB)，然后通過(guò)USB驅動(dòng)(USBD)提供的編程接口將URB發(fā)送到USBD。USBD部分是整個(gè)USB主機驅動(dòng)的核心。
USBD完成以下工作：USB設備的枚舉和配置，根據需要裝載或卸載設備驅動(dòng)程序，向上為設備驅動(dòng)程序提供編程接口，向下為主機控制器驅動(dòng)提供編程接口，實(shí)現與設備驅動(dòng)程序、主機控制驅動(dòng)程序的通信。
處于最底層USB主機控制器驅動(dòng)(HCD)是USB主機直接與硬件交互的軟件模塊。HCD作為底層硬件的驅動(dòng)程序，一方面控制和管理底層硬件，負責將USB事務(wù)發(fā)送給USB主機控制器，并最終將串行數據發(fā)送到電纜上；另一方面為上層的USB系統軟件提供統一接口HCI(Host ControllerInterface)，將各種不同的HC映射到USB系統。HC一般都集成有Root Hub的功能，HCD也要實(shí)現Root Hub Port訪(fǎng)問(wèn)。
USBD部分由操作系統實(shí)現，一般不需要用戶(hù)修改。USB設備類(lèi)驅動(dòng)，對于常用的設備Linux內核中有較成熟的驅動(dòng)。針對特定的主機控制器硬件應該實(shí)現HCD部分，以解決基本的通信問(wèn)題。故這里主要介紹EZ-Host主機控制器驅動(dòng)(HCD)的設計。
3．2 EZ-Host主機控制器驅動(dòng)(HCD)設計
開(kāi)發(fā)過(guò)程主要針對EZ-Host主機控制器編寫(xiě)USB主機控制器驅動(dòng)程序。該驅動(dòng)程序是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺下USB協(xié)議棧和EZ-Host主機控制器的一個(gè)接口，其作用類(lèi)似于Linux中由Intel制定的UHCI標準，其硬件設計比較簡(jiǎn)單，但軟件較為復雜。
USB主機控制器的驅動(dòng)(HCD)在USB子系統中的功能主要有：硬件初始化，為上層(USBD)提供調用接口，管理根Hub，完成數據傳輸以及中斷處理。根據主機控制器驅動(dòng)(HCD)在整個(gè)USB子系統中的功能，可將EZ-Host HCD分為HCD接口、HCD初始化、數據傳輸、中斷處理、讀寫(xiě)操作、主機協(xié)議等模塊。HCD接口模塊表現為一套API函數，通過(guò)這一套API函數使HCD與USBD進(jìn)行通信。圖3為EZ-Host主機控制器驅動(dòng)模塊結構。

1)初始化。該初到始化涉及到復位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數據結構并為其分配空間；注冊USB host driver和USB host bus interface到USB host core；注冊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)，當中斷服務(wù)程序注冊到USB子系統后，EZ-Host主控制器開(kāi)始處理中斷。3)傳輸數據。傳輸處理程序在初始化的過(guò)程中注冊到USB主端子系統，它由USB host core喚醒并配置外圍設備，發(fā)送塊數據，或確認塊數據的接收。4)接收數據。接收處理程序處理數據包的接收，它由中斷處理程序喚醒。數據接收處理程序詢(xún)問(wèn)EZ-Host主控制器是否有接收錯誤，如果沒(méi)有錯誤，則接收處理程序從EZ-Host主控制器的緩沖區中提取數據并將數據存儲到一個(gè)數據結構，然后接收程序將數據傳送到USB host eore，等待進(jìn)一步處理。5)主機協(xié)議實(shí)現。HCD從Linux USB協(xié)議棧接收并解析USB請求，然后建立基于該請求的USB交互(transactions)，該交互被合理調度安排并發(fā)送到USB總線(xiàn)上。
3．3 HCD的關(guān)鍵接口設計
實(shí)際工作過(guò)程中，應用程序通過(guò)文件系統接口訪(fǎng)問(wèn)相應的USB設備類(lèi)驅動(dòng)程序和USBD；USB設備類(lèi)驅動(dòng)程序則通過(guò)USBD提供的相關(guān)接口(USBDI)將數據請求包傳遞給USBD；USBD通過(guò)HCD提供的接口(HCI)進(jìn)一步將數據包傳遞給HCD；HCD最終將數據發(fā)送到USB總線(xiàn)。
主機控制器驅動(dòng)中，最重要的接口是主機控制器驅動(dòng)HCD與USBD之間的接口。在Linux內核中，用usb_hcd結構體表示USBD接口，用來(lái)描述主機控制器(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控制器的鉤子函數。在Linux內核中，使用如下函數創(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控制器驅動(dòng)實(shí)現的接口，通過(guò)實(shí)現這些接口，USBD可將更上層軟件的請求傳遞給HCD以及HC，HC及HCD完成后，也會(huì )通過(guò)這些接口通知USBD。