USB主机控制器的设计

3 驱动程序设计
3．1 USB主机端的软件结构
Linux USB主机驱动协议栈由3部分组成：USB主机控制器驱动(HCD)、USB驱动(USBD)和各种不同的USB设备类驱动，如图2所示。

USB设备类驱动(如插入主机的U盘、鼠标、键盘等设备驱动)是最终与应用程序交互的软件模块，负责建立虚拟连接、配置，与设备进行通信，将数据集成一个USB请求块(URB)，然后通过USB驱动(USBD)提供的编程接口将URB发送到USBD。USBD部分是整个USB主机驱动的核心。
USBD完成以下工作：USB设备的枚举和配置，根据需要装载或卸载设备驱动程序，向上为设备驱动程序提供编程接口，向下为主机控制器驱动提供编程接口，实现与设备驱动程序、主机控制驱动程序的通信。
处于最底层USB主机控制器驱动(HCD)是USB主机直接与硬件交互的软件模块。HCD作为底层硬件的驱动程序，一方面控制和管理底层硬件，负责将USB事务发送给USB主机控制器，并最终将串行数据发送到电缆上；另一方面为上层的USB系统软件提供统一接口HCI(Host ControllerInterface)，将各种不同的HC映射到USB系统。HC一般都集成有Root Hub的功能，HCD也要实现Root Hub Port访问。
USBD部分由操作系统实现，一般不需要用户修改。USB设备类驱动，对于常用的设备Linux内核中有较成熟的驱动。针对特定的主机控制器硬件应该实现HCD部分，以解决基本的通信问题。故这里主要介绍EZ-Host主机控制器驱动(HCD)的设计。
3．2 EZ-Host主机控制器驱动(HCD)设计
开发过程主要针对EZ-Host主机控制器编写USB主机控制器驱动程序。该驱动程序是嵌入式Linux开发平台下USB协议栈和EZ-Host主机控制器的一个接口，其作用类似于Linux中由Intel制定的UHCI标准，其硬件设计比较简单，但软件较为复杂。
USB主机控制器的驱动(HCD)在USB子系统中的功能主要有：硬件初始化，为上层(USBD)提供调用接口，管理根Hub，完成数据传输以及中断处理。根据主机控制器驱动(HCD)在整个USB子系统中的功能，可将EZ-Host HCD分为HCD接口、HCD初始化、数据传输、中断处理、读写操作、主机协议等模块。HCD接口模块表现为一套API函数，通过这一套API函数使HCD与USBD进行通信。图3为EZ-Host主机控制器驱动模块结构。

1)初始化。该初到始化涉及到复位EZ-Host控制器，并将其初始化到一个已知的状态；初始化必要的USB数据结构并为其分配空间；注册USB host driver和USB host bus interface到USB host core；注册USB host core的中断服务程序；为每一个主端口建立一个虚拟根Hub，并且注册根hub到USBhost eore。2)中断处理。EZ-Host主控制器中断采用电平触发，当中断服务程序注册到USB子系统后，EZ-Host主控制器开始处理中断。3)传输数据。传输处理程序在初始化的过程中注册到USB主端子系统，它由USB host core唤醒并配置外围设备，发送块数据，或确认块数据的接收。4)接收数据。接收处理程序处理数据包的接收，它由中断处理程序唤醒。数据接收处理程序询问EZ-Host主控制器是否有接收错误，如果没有错误，则接收处理程序从EZ-Host主控制器的缓冲区中提取数据并将数据存储到一个数据结构，然后接收程序将数据传送到USB host eore，等待进一步处理。5)主机协议实现。HCD从Linux USB协议栈接收并解析USB请求，然后建立基于该请求的USB交互(transactions)，该交互被合理调度安排并发送到USB总线上。
3．3 HCD的关键接口设计
实际工作过程中，应用程序通过文件系统接口访问相应的USB设备类驱动程序和USBD；USB设备类驱动程序则通过USBD提供的相关接口(USBDI)将数据请求包传递给USBD；USBD通过HCD提供的接口(HCI)进一步将数据包传递给HCD；HCD最终将数据发送到USB总线。
主机控制器驱动中，最重要的接口是主机控制器驱动HCD与USBD之间的接口。在Linux内核中，用usb_hcd结构体表示USBD接口，用来描述主机控制器(HC)的基本信息、硬件资源、状态描述和用于操作主机控制器的hc_driver等。其中usb_hcd中的hc_driver成员非常重要，它包括具体用于操作主机控制器的钩子函数。在Linux内核中，使用如下函数创建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模块定义的需要底层主机控制器驱动实现的接口，通过实现这些接口，USBD可将更上层软件的请求传递给HCD以及HC，HC及HCD完成后，也会通过这些接口通知USBD。