1、通用串行总线数据传输陈青松 ，王 健（东南大学计算机科学与工程系，江苏 南京 210096）摘 要：数据传输与调度是关于USB研究的一个重要问题。从介绍USB 的体系结构开始，详细分析了USB各种类型的数据传输的特点及对系统的要求，继而剖析UHCI （由Intel提出的一套关于USB主机控制器及驱动程序的规范）给出的数据传输模型、主要数据结构与调度过程，以及 Linux实现该规范时所做的改进与面临的问题。关键词：USB； UHCI； Linux； 数据传输；调度中图分类号：TP334USB Data TransferCHEN Qing-song , WANG Jian( Dept. of Co
2、mputer Science UHCI; Linux; data transfer; schedule1 引 言USB，即通用串行外部总线，是 PC体系结构一种扩展的工业标准，因其普遍性、易用性、可扩展性的特征，在业界得到了广泛的支持和应用。作为一种外部总线标准，USB 的数据传输是一个极为重要的问题,而且十分复杂，实时性要求高，需要软硬件配合才能解决。对于软硬件的划分，目前有 UHCI和 OHCI两种规范。本文主要探讨 UHCI1.1规范对 USB数据传输的支持，Linux 内核中对该规范的实现，及对其实现过程的若干改进。2 USB系统及USB数据传输的基本概念2.1 USB体系结构USB是
3、 20世纪 90年代发展起来的一种“通用串行外部总线”，其体系结构可从以下两个方面来概括：物理总线拓扑与软硬件模块划分。从物理拓扑上看，USB 设备通过 USB主机控制器连接到PC或其他主机，集线器为 USB设备提供连接点。采取强行分层，以避免产生环形连接，由此 USB物理总线拓扑成为树型结构。 从软硬件功能模块上来看，USB 系统包括客户软件、USB 系统软件、USB主机控制器、USB 总线接口、USB 逻辑设备、功能设备等几个部分。其中系统软件需要提供驱动程序，以支持 USB主机控制器、USB 设备及客户软件，具体对应关系见图 1，该图也说明了以上各模块间的通信流。 客户软 件 功能设 备
4、U S B 系统设 备U S B 总线接 口U S B 系 统 软 件U S B 主机控制器主 机 互 连 物理 设备物理通信流逻辑通信流功能层U S B 设备层U S B 总线接 口层图 1 USB系统软硬件模块与通信流2.2 USB数据传输的基本概念USB的数据传输按速度分为低速（1.5Mb/S）、全速(12Mb/s)、高速(480Mb/S)三种。USB1.1支持低速和全速传输，USB2.0支持高速传输。按数据的性质则分为4种，其划分及特点阐述如下：控制型：突发的、非周期的、主机软件初始化的请求/响应通信，用于命令/状态操作。USB整个带宽的10（USB1.1）要保证用于此种传输，没有足够
5、多的控制型传输，这部分带宽方可用于其他类型。中断型：低频的、延时有限的通信。实质上USB设备不具备主动向主机发中断的能力，只能被动地接受USB主机控制器的查询。（USB主机控制器有向主机发中断的能力，这不属于USB数据传输范畴）。对USB系统的要求 交互类型 信包类型传 输类 型周期性可靠性实时性占USB总线带宽SETUP交互数据交互状态交互TOKEN信包数据信包握手信包等时型 中断型 90成块型 控制型 10 表1 USB数据传输类型及特点等时型：主机与设备之间周期的、连续的通信，数据必须以恒定的速率或在规定的时间内传输，所以USB要保证其带宽。USB整个带宽的90（USB1.1）要分配给中
6、断型与等时型传输（如果有足够多的周期性传输）。成块型：非周期的、大型包的突发通信，可以延时到带宽可用时执行。USB系统必须同时满足以上4种数据传输的各种要求（周期性、可靠性、实时性、带宽），并且从整体上要满足USB总线带宽的要求。表1综合了这4种传输对系统的要求(USB1.1)。为满足中断型与等时型传输的周期性、实时性的特点，USB支持时间帧（Frame）的概念(USB1.1支持1ms的帧，USB2.0支持125us的微型帧)。在90的USB总线带宽中（如果有足够多的等时型传输时），中断型和等时型传输得到执行，并且在每一帧（或者每几桢）中都得到执行，达到其周期性的要求。USB系统的传输分为若干
7、个交互，对于控制型传输，共有3种交互，分别为SETUP交互、数据交互(如果有需要的话)、状态交互。SETUP交互传递高层控制命令，数据交互传递与本次命令相联系的数据，状态交互传递与操作目标有关的状态信息。其他传输只有数据交互一种。每个交互又包括3个信包（等时传输只有2个信包），分别为传令信包、数据信包、握手信包，由软硬件配合执行，加上容错机制，可满足可靠性的要求。3 软件接口主机控制器驱动程序（USBHD）一般需提供如下的函数接口供客户软件调用：URB * USB_Control_Message( USB_DEVICE *dev, uint pipe,uint req_type,uint re
8、quest, uint wValue, uint wIndex, uint wLength,void * callback ) （USB_Data_Message与此类似）。URB（USB Request Block）是客户软件提交传输请求的基本单位。USBHD的上层软件将所有的URB组织为环形链表依次调度，下层软件则负责将每一个URB分解为若干交互（Transfer Descriptor:TD），并将这些交互插入相应的调度队列供执行。交互是执行的基本单位。一帧时间到达的时候（或出错时），USB主机控制器（USBHC）向主机发送中断，中断处理程序根据这一桢里交互执行的状态重新安排调度，客户软件
9、通过回调函数（callback）处理在这一帧中完成的URB请求。4 UHCI1.1的数据结构与传输调度UHCI是由Intel提出的一套关于USB主机控制器及其驱动程序的规范，这里探讨其支持USB数据传输的部分。主要是如何安排交互调度的问题。4.1 主要数据结构UHCI定义了若干数据结构以满足USB数据传输的要求，主要为帧指针（Frame List Pointer）数组、传输描述(Transfer Descriptor: TD)、队列头(Queue Head: QH)。帧数组共1024维，每个元素代表一帧，指向这一帧中需要执行的交互队列。USB主机控制器在每1ms的框架内执行一帧，下一个ms跳到
10、下一个帧，这通过硬件控制。第一个执行的队列是等时队列（如果有的话），每一个等时队列最后一个TD指向一个QH队列，QH队列每一个元素实际上只是一个真正得到执行的TD队列（中断型、成块型、控制型）的队列头。这些TD队列按照深度优先或者广度优先的规则执行。QH前两个域与主机控制器寄存器相关：Link指向下一个QH，相应地也就指向了下一个TD队列；Element指向本队列中的第一个TD,在特殊情况下（将两个TD队列合并时）同Link。TD前四个域也与主机控制器寄存器相关：Link：相当于“连接寄存器”，指向下一个TD的连接指针。Status：相当于“控制/状态”寄存器，表明TD的执行情况，其中TD_C
11、TRL_ACTIVE位指示在当前桢中该TD是否要执行，交互完成时，硬件自动将该位复位，TD_CTRL_IOC位指示当前桢结束时是否向中断发送中断请求。在中断服务程序中，如果完成的TD是周期性的，就将TD_CTRL_ACTIVE置位，使该TD在下一桢中仍然得到执行。Info： 相当于“命令寄存器”，其内容包括传输的类型与目标，实际上就是TOKEN信包的主体。Buffer： 指向用于发送或接受的缓冲区。这些与硬件相关指针的内容都是物理地址，主机按照物理地址链路调度执行，并根据状态变化，选择是否将TD从物理地址链路中脱链（因其周期性，等时型、中断型传输TD不脱链）。在TD执行之前，USBHD在处理U
12、RB时是按照虚拟地址将TD组成队列的，TD执行出错或者一帧执行完毕，产生中断，中断处理程序重新按照虚拟地址链路调整调度队列。UHCI定义的主要数据结构及交互调度见图3。帧数组基址寄存器 帧计数器基址 索引0 0帧 队 列帧指针帧指针Q TQ TQ TQ TT D T D T DQ H Q H Q H Q HT D T D T DT D T D T DT DT DT DT DT DT DT DT DT DT D帧指针帧指针水平方向水平方向队 列 头等时传输中断传输成块与控制传输队 列 头垂直方向图2 UHCI 1.1 主要数据结构与交互调度 4.2 调度的改进根据UHCI1.1的调度，中断传输在
13、每一桢中都会得到一次执行， 对于周期大于1ms的中断传输这会带来资源浪费。扩充TD数据结构，引入一个interval域，作为中断传输周期计数器。TD初始化时，interval域赋值为中断传输的执行周期；一桢执行完毕，中断服务程序将该域减1，如果该域变为0，将status中TD_CTRL_ACTIVE位置位， 使该TD在下一桢中得到执行， 并将interval域重新赋值为中断周期值。如果interval不为0，代表该TD执行周期未到，TD_CTRL_ACTIVE不置位（每一次TD完成，USBHC将TD_CTRL_ACTIVE位复位），在下一桢就不会得到执行。这样可以保证中断传输按指定的周期执行，
14、而相应的开销却很小。5 UHCI规范在Linux中的实现与改进Linux在实现UHCI规范时，将各种传输进一步细分， 将它们挂入各自的队列中供调度执行。5.1 Linux实现的USB传输调度0 21帧指针数组 S k e l t d 0 S k e l t d 1 S k e l t d 8 S k e l t d 2 S k e l q h 3 S k e l q h 2 S k e l q h 0 S k e l q h 1 T D T DT DT DT DT DT DT D T DT D T DS k e l t d 9 控制传输成块传输中断传输空处理中断传输骨架等时传输图3 Linux
15、实现的USB传输调度Linux实现的调度如图3所示。帧指针数组仍然代表1024个1毫秒的帧，每个表项都是一个指向等时传输TD队列的指针。每个等时队列中的最后一个TD指向其他队列（一开始没有等时传输，等时传输队列为空）。在QH队列之前，添加了一个skeltd数组（称作“中断传输骨架”），该数组每一个元素都是一个TD，这些TD都是一个中断传输TD队列的入口，而它们本身在调度时不执行。先假定帧指针数组都指向skeltd0，让其代表的中断传输队列在每一帧中都得到执行。如果帧的序列号为奇数，则将指针调整为指向skeltd1，这样，skeltd1所代表的中断传输队列每隔一帧都会得到一次执行，而skeltd
16、1的link域指向skeltd0，这样，skeltd0代表的中断传输队列在每一帧中都会得到执行。同理，如果帧序列号末两位为3，则让其指向skeltd2，使它代表的队列每3帧得到一次执行，而skeltd0，skeltd1代表的队列执行情况不变。余类推。最后，如果帧序列号末7位为127，则让其指向skeltd7，使它代表的队列每127帧得到一次执行。这样，skeltd指向的各TD队列就会在每1ms、2ms、4ms、128ms各不同的周期中得到一次执行。这样对于中断传输只要根据其周期插入不同skeltd所代表的队列中，便会在不同的周期中得到执行。Skelqh是控制型（分为低速LS和高速HS）、成块型
17、传输的骨架，分别指向各自的TD队列。skelqh3指向skeltd9，二者用于空操作，其目的是回收一帧中空余的时间。5.2 关于中断传输流量均匀问题的分析Linux引入“中断传输骨架”skeltd，可以解决不同周期的中断传输调度执行的问题，但不能解决流量均匀分配的问题。假设，有多个USB设备，中断传输的周期都为4ms，按照Linux的设计，这些中断只能在桢序列号末两位为3（即第3ms、7ms、11ms、）时执行，而好的调度策略应该是第一个中断传输在第3ms、7ms、11ms、时执行，第二个中断传输在第4ms、8ms、12ms、时执行。 而且对周期为57ms的中断传输，只能挂入执行周期为4ms的
18、队列中；对周期为915ms的中断传输，只能挂入执行周期为8ms的队列中 这都带来一定的资源浪费。Linux对于USB中断传输的处理略显僵化，相反UHCI规范则更为灵活。如果考虑到USB设备挂入USB系统的随机性，中断传输第一次执行所在的桢的序列号将是一个随即值，这在一定程度上解决了流量均匀的问题。另外，TD中interval域定义为周期的值，没有Linux中浪费资源的问题。5.3 关于等时传输流量均匀与实时性的处理 对于等时型也有流量均匀的问题。如果一个周期性传输包括多个交互，要尽量把这些交互分布到不同的帧中。等时传输以交互为单位挂入调度系统。首先查找第一个TD可以插入的帧；然后递加帧序列号（
19、以帧数组的大小1024为一个循环），插入下一个TD。这样等时传输可以均匀分布到不同的帧中。对于等时传输，USBHD一般需要把传输的单位分得较小。将整个流量分成N次传输，相应构造N个URB，并将这些URB连接成环，再分配N个缓冲区以接受数据。当有一个传输完成发生中断时，一方面USBHD向客户软件提交此次传输处理的结果；另一方面USBHD把这个传输从调度系统中脱链开来，同时将以前脱链的传输再提交回调度系统，与目前还在调度系统中的URB一起准备调度执行。这样的实现一方面可以较好地满足实时性要求，另一方面可以实现主机与USB系统并行处理。Linux实现的这种URB脱链及重新安排调度的流程可以优化。因为
20、TD的执行可以由控制位来决定，通过在主机中断服务程序中写TD.status的TD_CTRL_ACTIVE 位就可以控制URB的循环调度。6 结束语本文阐述了USB数据传输的基本特点及实现机制，分析了其中存在的若干问题，这对于开发USB应用软件与产品是极有必要的。参考文献1 Universal Serial Bus SpecificationRevision1.1Z.Compaq, Intel, Microsoft, NEC.September 23,19982 Universal Serial Bus Specification Revision2.0Z.Compaq, Hewlett-Pac
21、kard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC, Philips. April 27,20003 Universal Host Controller Interface Design Guide Revision1.1Z.Intel Corporation. March 19964 周立功等 USB2.0与OTG规范及开发指南M.北京：北京航空航天大学出版社. 2004,95 王凯，陈泳章.通用串行总线（USB）数据传输模型J. 计算机工程与设计 2002,23(10):50-546 毛德操，胡希明 LINUX内核源代码情景分析M.浙江：浙江大学出版社. 2001,9作者简介： 陈青松（1979 ） ，男，湖北松滋人，硕士生，主要研究方向为嵌入式系统； 王 健，男，副教授，主要研究方向为嵌入式系统、操作系统。联系方式：陈青松 王健： 江苏省南京市东南大学计算机科学与工程系系统结构教研室 210096电 话： 02582031805,83792403 email:
