裴曉勇，李 儼，趙凱瑞

(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072)

1 引言

USB設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，因而得到了大規(guī)模使用。不僅在PC機上，越來越多的嵌入式應(yīng)用中也提到了USB。在很多的嵌入式應(yīng)用中，需要實現(xiàn)USB主機控制器的功能。OHCI(Open Host Control Interface)是Compaq，Microsoft等公司提出的一個USB主機控制器接口規(guī)范，廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。目前有關(guān)OHCI主機驅(qū)動程序的開發(fā)，大多數(shù)是基于操作系統(tǒng)(Linux或者WinCE)的，參考文獻［3，5-6］就是典型實例。由于這種 OHCI驅(qū)動程序過于復(fù)雜和抽象，而且依賴于特定的操作系統(tǒng)環(huán)境，在無操作系統(tǒng)平臺上的移植與使用有一定的困難。同時，越來越多的OHCI控制器出現(xiàn)在不能移植復(fù)雜操作系統(tǒng)的硬件平臺上，比如LCP2478。本文以LPC2478為硬件平臺(ARM7TDMI內(nèi)核)，以適用于無操作系統(tǒng)或者輕量級的操作系統(tǒng)(μC/OS-II，freeRTOS)環(huán)境為目的，實現(xiàn)了簡單而且可靠的基于OHCI的USB主機驅(qū)動。

首先介紹USB主機控制器的體系結(jié)構(gòu)，然后著重介紹了OHCI規(guī)范的主要細節(jié)，最后實現(xiàn)了主機驅(qū)動程序，并對所實現(xiàn)的驅(qū)動程序進行了驗證。

2 USB主控制器體系介紹

USB設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，大量用于電子設(shè)備中。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以通過USB總線將采集到的數(shù)據(jù)保存到U盤，移動硬盤等大容量存儲設(shè)備中。在此過程中，需要USB主機控制器的參與，才能將數(shù)據(jù)從主機傳輸?shù)経SB存儲設(shè)備中。在USB2.0規(guī)范中定義了USB主機控制器的體系結(jié)構(gòu)，USB主機控制器負責(zé)連接USB設(shè)備和上位機。當(dāng)有USB設(shè)備插入USB主機控制器的時候，主機控制器會將此信息通過中斷的方式告知上位機;上位機與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)交互最終也必須通過USB主機控制器來進行。USB主機控制器是連接上位機控制器內(nèi)核和USB設(shè)備的必要介質(zhì)。

USB主控制器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 USB主機的軟硬件體系結(jié)構(gòu)

HC(Host Controler)是USB主機系統(tǒng)的硬件核心，它位于USB主機協(xié)議棧中最低層。HC負責(zé)物理和電氣特性，比如對傳輸?shù)目刂坪吞幚怼?shù)據(jù)包的解析以及對傳輸信號的編碼和解碼。HCD(Host Controler Driver)負責(zé)對HC進行配置和管理，而HC通過HCD來與USB功能軟件進行通信。目前USB的HC芯片組有三種，隨之對應(yīng)的HCI(Host Controller Interface)也有三種:EHCI(Enhanced Host Controller Interface)，OHUHCI(Universal Host Controller Interface)和OHCI。在大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中使用的是遵循OHCI規(guī)范的USB主機控制器。

3 OHCI規(guī)范

在操作和數(shù)據(jù)傳輸上，HC同HCD之間的接口有兩條通道。第一個通道是HC的操作寄存器，包括控制、狀態(tài)和列表指針寄存器。操作寄存器包含了指向一個稱之為HCCA(Host Controller Communications Area)的指針，而HCCA是第二個通訊通道。HCCA保存了到中斷端點描述的列表指針，完成隊列的頭指針以及與SOF處理相關(guān)的狀態(tài)信息。

OHCI使用端點描述ED(EndpointDescriPtor)和傳輸描述TD(TransferDescriptor)來組織USB數(shù)據(jù)的傳輸，HC從ED列表獲取端點信息，并從ED的TD列表逐次獲取傳輸信息，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。典型的鏈表結(jié)構(gòu)如圖2所示。

批量和控制ED列表的頭指針由HC操作寄存器管理。HCD初始化這些指針，使得HC能夠訪問它們，當(dāng)這些指針需要變更時，HC應(yīng)該停止HC對需更新指針的列表的處理，更新指針，并重新啟動HC。

圖2 典型的OHCI的ED鏈表

特別要注意，LPC2478規(guī)定了USB設(shè)備使用的RAM區(qū)域，即0x7FD00000—0x7FD03FFF共16KB。HCCA以及ED，TD等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的變量必須定義在這個區(qū)域，否則HC不能正常工作。

4 OHCI主機驅(qū)動程序的實現(xiàn)

4.1 OHCI相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

HCD主要構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有端點描述符ED、傳輸描述符TD和主機控制器通信區(qū)域HCCA。

每個ED對應(yīng)一個USB設(shè)備端點，不同的設(shè)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(shù)據(jù)鏈表，批量傳輸數(shù)據(jù)鏈表和周期性數(shù)據(jù)鏈表(中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步傳輸同屬此類)，HC通過相應(yīng)的操作寄存器訪問各個ED鏈表。程序中ED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

TD用來指定每次發(fā)送給USB設(shè)備的數(shù)據(jù)所保存的位置或者接收USB設(shè)備發(fā)送給主機數(shù)據(jù)的保存位置。根據(jù)OHCI規(guī)范對TD的定義，定義TD的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序中TD的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

HCCA是256字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)存結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件通過這一結(jié)構(gòu)來向HC發(fā)送和從HC接收特定的控制和狀態(tài)信息。這一結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中以256字節(jié)為單位來對齊綁定。系統(tǒng)必須為HC指定HcHCCA的值即HCCA結(jié)構(gòu)地址。通常系統(tǒng)與HC的交互能夠通過讀取HC寫入這一結(jié)構(gòu)的數(shù)值來完成。程序中HCCA結(jié)構(gòu)定義如下:

4.2 軟硬件接口的實現(xiàn)

HCD向USB功能軟件提供以下幾個接口函數(shù)，用來操作和控制主機控制器。

4.2.1 OHCI主機控制器初始化函數(shù)Host_Init(void)

USB 2.0規(guī)范要求USB外設(shè)的工作時鐘必須是48MHZ。LPC2478的外設(shè)功率控制寄存器(PCONP)決定外設(shè)的使能與否，最高位(32位)置1使能USB外設(shè)，初始化OHCI控制器首先要將此位置1。同時，通過置OTG時鐘控制寄存器(OTGClkCtrl)的主機時鐘使能位，使能主機時鐘，至此OHCI可以正常工作了。

將LPC2478對應(yīng)功能的引腳配置為OHCI后，需要初始化一些常用的變量如控制ED，批量ED，HCCA區(qū)域，TD數(shù)組等，另外，為了便于數(shù)據(jù)傳輸，要定義一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針。注意這些變量必須定義到LPC2478所指定的USB RAM(0x7FD00000-0x7FD03FFF)中，要傳輸?shù)経SB設(shè)備的數(shù)據(jù)必須首先將數(shù)據(jù)保存到USB RAM中，然后啟動發(fā)送過程;接收到來自USB設(shè)備的數(shù)據(jù)也首先保存到USB RAM中，然后再將數(shù)據(jù)拷貝到所對應(yīng)的緩沖區(qū)中。

最后初始化OHCI寄存器。OHCI寄存器分為4類:控制與狀態(tài)類寄存器，存儲器指針類寄存器，幀計數(shù)器類寄存器和根集線器類寄存器。

控制與狀態(tài)類寄存器中，最主要是初始化與中斷有關(guān)的寄存器。與USB設(shè)備通信的中斷標(biāo)志位主要有兩個，分別是WDH位和RHSC位。每當(dāng)一個TD傳輸結(jié)束后，HC會將此TD的地址寫入Hc-DoneHead寄存器，HC然后將此寄存器的內(nèi)容寫入HCCA區(qū)域，此時就會產(chǎn)生WDH中斷，程序可以通過此中斷來標(biāo)識一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束;而每次USB設(shè)備插入主機或者從主機拔出的時候，都會初始化RHSC中斷，程序通過此標(biāo)志來枚舉USB設(shè)備或者處理USB設(shè)備拔出的善后工作。

存儲器指針類寄存器，主要用來初始化一些指針，比如控制ED的指針，批量ED的指針，HCCA區(qū)域的指針等。這些指針可以隨時修改。

幀計數(shù)器類寄存器，主要用來設(shè)置處理在一個幀的時間長短，HC處理周期ED和非周期ED的時間比率。通過設(shè)置 HcFmInterval寄存器的FrameInterval來決定HC處理一個幀的時間長短，注意此域的頻率是12MHZ，及1ms中的 bit時間是12000。默認(rèn)設(shè)置是11999，即一個USB幀的時間長度的1ms。另外HcPeriodicStart決定了在一個幀中處理非周期ED的長度。

根集線器寄存器主要用來標(biāo)識根集線器的狀態(tài)，初始化一般按照默認(rèn)配置，在程序運行期間，通過讀取此對應(yīng)寄存器的各個位來得到端口的狀態(tài)。至此，OHCI的初始化結(jié)束。初始化流程如圖3所示。

圖3 OHCI控制器初始化過程

4.2.2 USB設(shè)備枚舉函數(shù)Host_EnumDev(void)

當(dāng)有USB設(shè)備插入到OHC的端口上的時候，程序調(diào)用此函數(shù)對USB設(shè)備進行枚舉過程。枚舉過程主要是根據(jù)USB規(guī)范所定義的枚舉過程進行的。通過枚舉，程序可以獲得USB設(shè)備的設(shè)備描述符，類描述符，配置描述符，端點描述符等，根據(jù)這些信息來初識化對應(yīng)的ED。本實現(xiàn)根據(jù)USB2.0規(guī)范實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的枚舉過程。

4.2.3 TD傳輸函數(shù)Host_ProcessTD()

Host_ProcessTD()函數(shù)原型為Host_ProcessTD(HCED*ed，INT32U token，INT08U*buffer，INT32U buffer_len);此函數(shù)用來處理鏈接到端點描述符ED上的TD。根據(jù)參數(shù)ed的Control域，可以知道USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋?控制傳輸，批量傳輸，中斷傳輸和同步傳輸)，然后根據(jù)參數(shù)token來決定每種數(shù)據(jù)傳輸類型所處的階段，這樣就可以把從起始地址為buffer、一共buffer_len個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送到USB設(shè)備對應(yīng)的端點緩沖區(qū)，或者從對應(yīng)的端點緩沖區(qū)接收buffer_len字節(jié)的數(shù)據(jù)到起始地址為buffer的緩沖區(qū)。連續(xù)調(diào)用該函數(shù)可以完成USB協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)傳輸類型。在此基礎(chǔ)上，就可以實現(xiàn)基于USB標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)母鼜?fù)雜的協(xié)議。

通過Host_ProcessTD()函數(shù)就可以實現(xiàn)USB設(shè)備中常用的控制傳輸和批量傳輸。控制傳輸首先傳輸一個SETUP TD，然后根據(jù)需要傳輸兩個IN TD或者OUT TD。而批量傳輸，根據(jù)需要，在生成對應(yīng)的ED后，直接就可以傳輸IN TD或者OUT TD。以控制寫為例，流程圖如下:

圖4 控制寫流程

5 程序驗證

驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備枚舉過程。通過測試枚舉過程中讀取到的USB設(shè)備描述符來驗證驅(qū)動程序的正確與否。嵌入式開發(fā)環(huán)境Keil uVision4配合仿真器J-LINK可以在仿真調(diào)試環(huán)境下查看全局和局部變量的值。驗證過程中選擇了一款金士頓的U盤作為USB設(shè)備。圖5為通過Keil uVision4在仿真狀態(tài)下讀取到的U盤設(shè)備描述符:

圖5 金士頓U盤的設(shè)備描述符

圖6為同一個U盤在Windows XP操作系統(tǒng)中枚舉成功后所讀取到的屬性。

可以看出，在圖5中，idVendor0和idVender1兩個字節(jié)組合起來代表了U盤的VID(Vender ID)，由于是大端顯示，所以驅(qū)動程序顯示的VID實際為0x1043，同理idProduct0和idProduct1兩個字節(jié)組合起來代表了U盤的PID(Product ID)，PID為0x8012。在圖6中，U盤的VID顯示是0x1043，PID顯示是0x8012。通過圖5和圖6，說明驅(qū)動程序設(shè)計是正確的。

圖6 金士頓U盤在PC機上的屬性

6 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種適用于簡單嵌入式軟硬件平臺的OHCI主機驅(qū)動程序。在實際的實現(xiàn)過程中，首先初始化了OHCI主機控制器，根據(jù)具體的實際應(yīng)用，優(yōu)化了OHCI規(guī)范中規(guī)定的ED鏈表操作。并在此基礎(chǔ)上通過實驗，分別實現(xiàn)了控制傳輸，批量傳輸和中斷傳輸。另外程序還實現(xiàn)了對USB設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)枚舉過程，一旦USB設(shè)備枚舉成功，通過相應(yīng)的USB設(shè)備描述符，加載不同類型的驅(qū)動程序，為上層的應(yīng)用程序提供了穩(wěn)定可靠的接口函數(shù)。實驗證明，驅(qū)動程序的設(shè)計是正確實用的。

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