USB主机控制器驱动的整体结构？

发布网友 发布时间：2022-04-20 04:59

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热心网友 时间：2023-08-31 08:37

前面写了一些SPI/I2C/RS-485之类的文章，有朋友留言希望能分享一些USB方面的梳理总结，今天就从系统标准层面先来梳理一下。看看有没有朋友喜欢。先从系统层面来梳理。个人学习，习惯于先从整体上摸个大概，然后再对感兴趣的细节逐渐深入。

USB是比较复杂的协议栈，如果发现文章中有错误，请帮忙指正。

注：本文主要参考USB2.0规范第4章，将标准中个人认为比较重要的一些点尽量条理清晰的总结出来。我感觉很多朋友可能对于阅读英文标准有点轻度抗拒，所以整理此文这也是一个起因，希望对朋友们有所帮助。

总线拓扑

说到总线拓扑，这张图大家一定都见过：

USB标准上说USB总线拓扑是一种分层星形结构，这张拓扑图延申出来的一些要点：

所谓星型是针对Hub而言的，一个Hub下面可以挂Hub或者设备，最顶层就是USB主机控制器USB主机控制器一般都伴随有一个根集线器Root Hub。Hub级联最多5层总线上理论最大允许连接127个设备。Hub级联遵循向下兼容，USB2.0主机或者高速Hub可以连接USB1.1Hub。一个USB分层星型结构有且仅有一个USB主机控制器线缆最长不超过5米这个最大7层星形结构，代表的是一条USB总线，一个USB分层星型结构有且仅有一个USB主机控制器，但并不是说一台计算机就只有一个USB总线，比如我的计算机内部就是2个USB主控制器+Root Hub，从Windows设备管理器可以看到：

7层拓扑图中的第2层只画了一个Hub,并不意味真正的第2层就只能有一个Hub，但这个图无法显示出更为详细的总线连接关系，用USBTrace软件来看看：

第1条总线有4个端口，第2条总线的根集线器具有18个端口，其中8、9、10为计算机内部的USB设备占用了。我这台笔记本对外有两个USB接口，通过分别将U盘插入这两个端口，再利用USBTrace探测可以推断出这两个端口都属于第2条总线的Port
3以及Port 4：

那么Hub长什么样呢？比如下面是一个7口的USB Hub示意图，来源于USB2.0标准：

物理接口

电气概览

USB 通过四线电缆传输信号和电源。信令发生在每个点对点网段上的两条线上。

VBUS/GND：供电D+/D-：USB差分信号线。具有三种数据速率：

高速模式 high-speed：480 Mb/s，常缩写为HS模式全速模式 full-speed：12 Mb/s，常缩写为FS模式低速模式 low-speed：1.5 Mb/s，常缩写为LS模式至于数据编码模式，这里先不管它。

机械概览

机械部分主要定义USB采用什么尺寸的接插件，线缆的颜色定义、线号。线缆的抗拉强度等。主要从以下几个方面去标准化：

主要连接器类型规范，主要分A、B系列。定义了公头、母头。

线缆规范。高速/全速电缆由信号双绞线、VBUS、GND 和整体屏蔽组成。当高速/全速电缆与低速设备一起使用时，电缆必须满足所有低速设备要求。低速设备可以不使用双绞线。双绞线可有效抵抗共模噪声。连接器机械尺寸及材料要求。

A/B系列插座规范A/B系列插头规范电缆尺寸材料规范，这里就不罗列了，知道在哪里查就可以了。电气、机械和环境合规性标准接地规范，屏蔽层一定要焊接在插头的外壳接地点。插座PCB尺寸规范。所以对于有绘制接插件需要的，可以参考6.9节的尺寸。Logo位置线芯颜色规范。USB Logo尺寸规范。协议概述

USB采用主从通讯模式，是一种轮询总线。所有数据传输都由主机控制器发起。这是USB标准中最难啃的部分，这里先不总结。

健壮设计

标准关于协议健壮性，又称鲁棒性，做了这几个方面的设计：

从信号完整性角度：使用差分驱动器、差分接收器和以及对信号线缆的屏蔽处理。差分收发策略主要在抵抗共模干扰方面效果显著，而屏蔽层则有两方面的作用：其一，有效降低USB线通过无线电波对外界干扰；其二、能有效隔断外界无线干扰对USB信号线、电源线的干扰。CRC报文校验。报文中数据如果出错，可以检测出来，可以做相应的处置。热插拔检测及对相应硬件设备的系统配置管理。这个设计有助于提升用户体验，用户随用随插，而无需关机插拔。利用对数据丢失或数据损坏超时检测实现通讯自恢复机制，以增强协议的健壮性。对流数据的进行流量控制以确保同步以及底层收发硬件缓冲区管理。数据管道和控制管道分离

热心网友 时间：2023-08-31 08:38

在USB规范中把USB分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备和针对不同USB设备的客户驱动程序。第一、 USB芯片驱动程序：这部分组件主要是可以提供对USB的支持。第二、 USB控制器驱动程序：这部分主要是在控制器和USB设备之间建立通信信道。第三、 USB设备：这部分组件包括和PC相连的USB外围设备，主要分为：设备本身可以再接上其它的USB外围设备，另外设备本身不能再连接其它外围设备。即集线器和设备。也可以说集线器是带有连接其它外围设备的USB端口，设备是连接在计算机上的用语完成特定功能而且符合USB规范的设备单元。第四、 USB控制器：这部分主要负责执行由USB控制器驱动程序发出的命令。第五、 USB设备驱动程序：这部分组件主要是用来驱动USB设备的程序，一般来说这是由操作系统或者是USB设备制造商提供

热心网友 时间：2023-08-31 08:38

USB主机控制器有这些规格:OHCI (Open Host Controller Interface）、UHCI (Universal HostController Interface)、EHCI (Enhanced Host Controller Interface）和xHCI (eXtensible Host ControllerInterface)。OHCI驱动程序用来为非PC系统上以及带有SiS和ALi芯片组的PC主板上的USB芯片提供支持。UHCI驱动程序多用来为大多数其他PC主板（包括Intel和Via）上的USB芯片提供支持。EHCI由USB2.0规范所提出，它兼容于OHCI和UHCI。由于UHCI的硬件线路比OHCI简单，所以成本较低，但需要较复杂的驱动程序，CPU负荷稍重。xHCI，即可扩展的主机控制器接口是Intel公司开发的一个USB主机控制器接口，它目前主要是面向USB 3.0的，同时它也支持USB 2.0及以下的设备。
1.主机控制器驱动
在Linux内核中，用usb hed结构体描述USB主机控制器驱动，它包含USB主机控制器的“家务”信息、硬件资源、状态描述和用于操作主机控制器的hc_driver。
2.EHCI主机控制器驱动
EHCI HCD驱动属于HCD驱动的实例，它定义了一个ehci_hed结构体，通常作为代码清单16.6定义的usb_hed结构体的私有数据(hed_priv)，这个结构体的定义位于rivers/usb/host/ehci.h中。