Глава 13. USB-устройства

Поддержка USB в FreeBSD может быть разделена на три уровня. Самый нижний уровень содержит драйвер контроллера хоста, предоставляющий универсальный интерфейс к оборудованию и его механизмам планирования. Он поддерживает инициализацию оборудования, планирование передач и обработку завершённых и/или неудачных передач. Каждый драйвер контроллера хоста реализует виртуальный концентратор, обеспечивающий независимый от оборудования доступ к регистрам, управляющим корневыми портами на задней панели машины.

Средний уровень обрабатывает подключение и отключение устройства, базовую инициализацию устройства, выбор драйвера, каналы связи (pipe) и управляет ресурсами. Этот сервисный уровень также контролирует стандартные каналы и запросы устройств, передаваемые через них.

Верхний уровень содержит отдельные драйверы, поддерживающие конкретные (классы) устройств. Эти драйверы реализуют протокол, используемый в каналах, отличных от стандартного. Они также реализуют дополнительную функциональность для обеспечения доступа к устройству другим частям ядра или пользовательского пространства. Они используют интерфейс драйвера USB (USBDI), предоставляемый уровнем сервисов.

Контроллер UHCI поддерживает список кадров (framelist) с 1024 указателями на структуры данных для каждого кадра. Он распознаёт два типа данных: дескрипторы передачи (TD) и головы очередей (QH). Каждый TD представляет пакет для передачи в конечную точку устройства или из неё. QH служат для группировки TD (и других QH) вместе.

Каждая передача состоит из одного или нескольких пакетов. Драйвер UHCI разделяет большие передачи на несколько пакетов. Для каждой передачи, за исключением изохронных, выделяется QH. Для каждого типа передачи эти QH собираются в QH для соответствующего типа. Изохронные передачи должны выполняться первыми из-за требования фиксированной задержки и непосредственно указываются указателем в списке кадров. Последний изохронный TD ссылается на QH для прерывающих передач для этого кадра. Все QH для прерывающих передач указывают на QH для управляющих передач, который, в свою очередь, указывает на QH для массовых передач. Следующая диаграмма дает графическое представление этого:

В результате выполняется следующее расписание в каждом кадре. После получения указателя на текущий кадр из списка кадров контроллер сначала выполняет TDs для всех изохронных пакетов в этом кадре. Последний из этих TDs ссылается на QH для прерывающих передач этого кадра. Хост-контроллер затем переходит от этого QH к QHs для отдельных прерывающих передач. После завершения этой очереди, QH для прерывающих передач ссылается на QH для всех управляющих передач. Он выполняет все подочереди, запланированные там, а затем все передачи, поставленные в очередь в QH для массовых передач. Для упрощения обработки завершенных или неудачных передач аппаратное обеспечение генерирует различные типы прерываний в конце каждого кадра. В последнем TD для передачи бит Interrupt-On Completion устанавливается драйвером HC, чтобы вызвать прерывание по завершении передачи. Прерывание ошибки возникает, если TD достигает максимального количества ошибок. Если в TD установлен бит short packet detect и передано меньше установленной длины пакета, это прерывание уведомляет драйвер контроллера о завершении передачи. Задача драйвера хост-контроллера — определить, какая передача завершилась или вызвала ошибку. При вызове процедура обслуживания прерывания находит все завершенные передачи и вызывает их callback-функции.

Обратитесь к спецификации UHCI для более подробного описания.

Программирование OHCI-контроллера значительно проще. Контроллер предполагает, что доступен набор конечных точек, и учитывает приоритеты планирования и порядок типов передач в кадре. Основная структура данных, используемая хост-контроллером, — это дескриптор конечной точки (ED), к которому присоединена очередь дескрипторов передачи (TD). ED содержит максимальный размер пакета, разрешенный для конечной точки, а аппаратное обеспечение контроллера выполняет разделение на пакеты. Указатели на буферы данных обновляются после каждой передачи, и когда начальный и конечный указатели становятся равны, TD перемещается в очередь завершенных (done-queue). Четыре типа конечных точек (прерывание, изохронная, управление и массовая) имеют свои собственные очереди. Управляющие и массовые конечные точки помещаются каждая в свою очередь. ED прерываний организуются в дерево, где уровень в дереве определяет частоту их выполнения.

Порядок действий, выполняемых хост-контроллером в каждом кадре, выглядит следующим образом. Контроллер сначала запускает непериодические очереди управления и массовых передач, вплоть до ограничения времени, установленного драйвером HC. Затем выполняются прерывающие передачи для данного номера кадра, используя младшие пять битов номера кадра в качестве индекса уровня 0 дерева ED прерываний. В конце этого дерева подключены изохронные ED, которые затем обходятся. Изохронные TD содержат номер кадра, в котором должна быть запущена первая передача. После выполнения всех периодических передач очереди управления и массовых передач обходятся снова. Периодически вызывается процедура обслуживания прерывания для обработки очереди завершенных операций и вызова обратных вызовов для каждой передачи, а также для перепланирования прерывающих и изохронных конечных точек.

См. UHCI Specification для более подробного описания. Средний уровень обеспечивает контролируемый доступ к устройству и управляет ресурсами, используемыми различными драйверами и уровнем сервисов. Этот уровень отвечает за следующие аспекты:

Каждое устройство предоставляет различные уровни информации о конфигурации. У каждого устройства есть одна или несколько конфигураций, из которых одна выбирается во время обнаружения/подключения. Конфигурация определяет требования к питанию и пропускной способности. В каждой конфигурации может быть несколько интерфейсов. Интерфейс устройства — это набор конечных точек. Например, USB-колонки могут иметь интерфейс для аудиоданных (Audio Class) и интерфейс для регуляторов, ручек и кнопок (HID Class). Все интерфейсы в конфигурации активны одновременно и могут быть подключены разными драйверами. Каждый интерфейс может иметь альтернативные варианты, предоставляющие различные параметры качества обслуживания. Например, в камерах это используется для поддержки разных размеров кадра и количества кадров в секунду.

В каждом интерфейсе может быть указано 0 или более конечных точек. Конечные точки — это однонаправленные точки доступа для связи с устройством. Они предоставляют буферы для временного хранения входящих или исходящих данных устройства. Каждая конечная точка имеет уникальный адрес в конфигурации — номер конечной точки плюс её направление. Конечная точка по умолчанию, конечная точка 0, не является частью какого-либо интерфейса и доступна во всех конфигурациях. Она управляется уровнем сервисов и не доступна напрямую драйверам устройств.

Эта иерархическая конфигурационная информация описывается в устройстве стандартным набором дескрипторов (см. раздел 9.6 спецификации USB). Они могут быть запрошены через Get Descriptor Request. Сервисный уровень кэширует эти дескрипторы, чтобы избежать ненужных передач по шине USB. Доступ к дескрипторам предоставляется через вызовы функций.

Спецификации классов могут добавлять свои собственные типы дескрипторов, которые доступны через запрос GetDescriptor.

Канальный обмен данными с конечными точками устройства осуществляется через так называемые каналы. Драйверы передают данные конечным точкам через канал и предоставляют функцию обратного вызова, которая вызывается при завершении или сбое передачи (асинхронные передачи) или ожидают завершения (синхронная передача). Передачи данных в конечную точку сериализуются в канале. Передача может завершиться успешно, завершиться с ошибкой или превысить время ожидания (если оно было задано). Существует два типа таймаутов для передач. Таймауты могут происходить из-за истечения времени на шине USB (миллисекунды). Эти таймауты рассматриваются как сбои и могут быть вызваны отключением устройства. Вторая форма таймаута реализована на уровне программного обеспечения и срабатывает, если передача не завершается в течение заданного времени (секунды). Это происходит, когда устройство отрицательно подтверждает (NAK) переданные пакеты. Причинами могут быть неготовность устройства к приему данных, переполнение буфера или пустой буфер, либо ошибки протокола.

Если передача через канал превышает максимальный размер пакета, указанный в соответствующем дескрипторе конечной точки, хост-контроллер (OHCI) или драйвер HC (UHCI) разделит передачу на пакеты максимального размера, при этом последний пакет может быть меньше максимального размера.

Иногда для устройства не является проблемой вернуть меньше данных, чем запрошено. Например, при передаче данных в режиме bulk-in на модем может быть запрошено 200 байт данных, но у модема в данный момент доступно только 5 байт. Драйвер может установить флаг короткого пакета (SPD). Это позволяет хост-контроллеру принять пакет, даже если объем переданных данных меньше запрошенного. Этот флаг действителен только для in-передач, так как объем данных, отправляемых на устройство, всегда известен заранее. Если во время передачи в устройстве происходит неустранимая ошибка, канал останавливается (stalled). Прежде чем принимать или отправлять дополнительные данные, драйвер должен устранить причину остановки и сбросить условие остановки конечной точки, отправив запрос clear endpoint halt через канал по умолчанию. Конечная точка по умолчанию никогда не должна останавливаться.

Существует четыре различных типа конечных точек и соответствующих каналов: - Управляющий канал / канал по умолчанию: На каждое устройство приходится один управляющий канал, подключенный к конечной точке по умолчанию (конечная точка 0). Этот канал передает запросы устройства и связанные с ними данные. Разница между передачами через канал по умолчанию и другими каналами заключается в том, что протокол для этих передач описан в спецификации USB. Эти запросы используются для сброса и настройки устройства. Базовый набор команд, который должен поддерживаться каждым устройством, приведен в главе 9 спецификации USB. Команды, поддерживаемые на этом канале, могут быть расширены спецификацией класса устройства для обеспечения дополнительной функциональности.

Доступность необходимой полосы пропускания рассчитывается во время создания канала. Передачи планируются в рамках интервалов в 1 миллисекунду. Распределение полосы пропускания внутри интервала регламентируется спецификацией USB, раздел 5.6 [2]. Изохронные и прерывающие передачи могут использовать до 90% полосы пропускания в рамках интервала. Пакеты для управляющих и массовых передач планируются после всех изохронных и прерывающих пакетов и используют всю оставшуюся полосу пропускания.

Дополнительная информация о планировании передач и освобождении пропускной способности доступна в главе 5 спецификации USB, разделе 1.3 спецификации UHCI и разделе 3.4.2 спецификации OHCI.

Драйвер устройства должен ожидать получения ошибок во время любой транзакции с устройством. Дизайн USB поддерживает и поощряет отключение устройств в любой момент времени. Драйверы должны гарантировать корректную обработку ситуаций, когда устройство исчезает.

Кроме того, устройство, которое было отключено и снова подключено, не будет повторно присоединено к тому же экземпляру устройства. Это может измениться в будущем, когда больше устройств будут поддерживать серийные номера (см. дескриптор устройства) или будут разработаны другие способы определения идентификатора устройства.

Отключение устройства сигнализируется концентратором в пакете прерывания, передаваемом драйверу концентратора. Информация об изменении состояния указывает, на каком порту произошло изменение подключения. Метод отключения устройства для всех драйверов устройств, подключенных к этому порту, вызывается, и структуры очищаются. Если состояние порта указывает, что за это время к порту было подключено устройство, начнется процедура обнаружения и подключения устройства. Сброс устройства вызовет последовательность отключения-подключения на концентраторе и будет обработан, как описано выше.