• USB协议规范学习(一)


    什么是USB OHCI规范?

    OHCI(Open HCI)是目前使用比较广泛的三种USB主机控制器规范之一。USB体系结构是由四个主要部分组成:客户软件/USB驱动,主机控制器驱动(HCD),主机控制器(HC)和USB驱动。前两者由软件实现,后两者由硬件实现。而OHCI就是规范了主机控制器驱动和主机控制器之间的接口,以及它们的基本操作。在主机控制器驱动和主机控制器之间,有两个通信通道,第一个是应用位于HC的一套可操作寄存器,它们包括控制寄存器、状态寄存器和列表指针寄存器;另一个通道是应用称为主机控制器通信域(HCCA)的共享内存。

    USB的4种协议规范

    介绍USB协议的细节知识之前,有很多相关的软硬件的基础知识,需要了解一下。

    2.1. USB相关的硬件

    USB设备,从物理上的逻辑结构来说,包含了主机Host端和设备Device端。

    其中,主机Host端,有对应的硬件的USB的主机控制器Host Controller,而设备端,连接的是对应的USB设备。

    2.1.1. USB控制器类型:OHCI,UHCI,EHCI,XHCI

    由于历史原因,导致USB的主机控制器,出现了多种不同的类型,即OHCI和UHCI,EHCI,和xHCI。

    不论是那种USB主机控制器,简称主控,都是符合对应的USB的规范的,都是实现了对应的USB规范中所规定的USB主控所要的那些事情的。只不过是不同的USB主控的类型,有着不同的特点。

    下面对这些不同类型的USB主控制器,进行简要的解释。

    2.1.1.1. OHCI和UHCI

    OHCI,Open Host Controller Interface,创立者是Compaq,Microsoft和National 
    Semiconductor。

    UHCI,Universal Host Controller Interface,创立者是Intel。

    两者之间的相同点是:

    不论是OHCI还是UHCI都是对应于USB 1.1的标准的,都是完全符合USB协议标准的。

    区别在于:

    只是各自的实现方式有些略微不同而已。当然对应的具体的性能,也略有差别,具体的差异,,和实际的应用有关系。

    但是本身OHCI和UHCI的区别在于:

    虽然都是实现了USB1.1协议规范,但是在功能划分上,OHCI更多地把要做的事情,用硬件来实现,因此,实现OHCI的USB控制器的软件驱动的开发工作,相对要容易些,软件要做的事情,相对较少。

    对应地,OHCI更多地应用在扩展卡,尤其是嵌入式领域中,常见的很多开发板中的USB的控制器,很多都是OHCI的。

    而UHCI把更多的功能,留给了软件,相对来说,软件做的事情,即负担要重些。但是实现对应的UHCI的硬件的USB控制器,价格上,就相对便宜些。

    对应地,UHCI更多地应用在PC机中的主板上的USB控制器。

    2.1.1.1.1. 为何Intel设计的UHCI把更多的任务都留给软件实现?

    对于两者的区别和实际的应用,自己分析,不难发现,其是有着内在的逻辑关系的。

    因此,作为UHCI的创立者Intel,创立了UHCI,把更多的USB需要做的事情,留给了软件,这样就可以实现出相对教便宜的USB的主控制器了,可以用于PC端的CPU所对应的主板上,便宜的USB主控,当然相对市场来说,更容易多卖出去一点,有利于市场推广。

    PC主板卖出的多了, 自然对应的Intel的CPU,也会多卖点,Intel自然可以赚更多的钱了。

    2.1.1.1.2. 为何嵌入式系统中的USB主控多用OHCI,而非UHCI?

    而对应的Compaq,Microsoft和National 
    Semiconductor所创立的OHCI,由于把更多的USB要做的事情,都用硬件实现了,这样对应的软件驱动所要做的事情,就少了,这样就有利于实现对应的OHCI的USB主控的驱动了,这点对于嵌入式系统来说,尤其重要,因为本身嵌入式系统就是资源有限,所以要尽量少的利用其他资源,比如CPU资源,去实现特点的功能,所以,倾向于采用对软件资源要求少的OHCI,而不是UHCI,否则用了UHCI的USB主控的话,需要实现对应的驱动,软件要做的事情太多,不利于在嵌入式系统这有限的资源环境下实现。

    2.1.1.1.3. OHCI和UHCI技术细节上的区别

    关于OHCI和UCHI在技术细节方面,更加详细的区别主要有这些:

    1. 单帧内的stage的个数

      对于控制传输来说:

      • OHCI:在单个帧内,可以调度多个stage;
      • UHCI:在单个帧内,只调度一个stage。
    2. 单帧内的transaction的个数

      对于最大数据包大小小于64字节的Bulk端点来说:

      • OHCI:单个帧内,可能会有多个transaction。
      • UHCI:单个帧内,不超过一个transaction;
    3. 轮询的频率
      • OHCI:,即使端点描述符中,已经指定了最大延迟是255ms,但是OHCI主控还是会,至少每32ms就去轮询一次中断端点
      • UHCI:UHCI主控可以支持,但是不是必须要支持,更低频率地轮询

    2.1.1.2. EHCI

    EHCI,Enhanced Host Controller Interface。

    简单说就是,EHCI定义了USB 2.0的主机控制器的规范,定义了USB 
    2.0的主控,需要包括哪些硬件实现,需要实现哪些功能,其也对应着对应的系统软件,所面对的是哪些接口。

    EHCI对USB主控的定义,详细到了寄存器的级别了,即定义了你USB主控,都要实现哪些对应的功能和对应的寄存器有哪些,分别是何种功能等。然后对应的软件驱动人员,去写USB主控的驱动的时候,也就清楚有哪些可以利用的系统资源,如何去使用这些资源,读取,设置对应的寄存器,实现对应的功能了。

    对应的EHCI规范,可以去Intel的官网找到:

    EHCI Specification

    2.1.1.3. xHCI

    xHCI,Extensible Host Controller Interface

    同EHCI是针对USB 2.0类似,xHCI是针对的USB 3.0规范。也是定义了USB 
    3.0主控需要如何实现,需要包含哪些功能,也是提供了寄存器级别的定义。

    对应的xHCI规范,可以去Intel的官网找到:

    Extensible Host Controller Interface (xHCI) Specification for USB 
    3.0

    2.1.1.4. OHCI,UHCI,EHCI,xHCI的区别和联系

    针对上述的解释,对USB的不同类型的主机控制器,简要概括如下:

    表 2.1. 不同USB控制器类型OHCI,UHCI,EHCI,xHCI的区别和联系

    USB主机控制器类型共同点区别
    对应的USB的协议和支持的速率创立者功能划分常用于
    OHCI 都实现了对应的USB的规范中所要求的功能 USB 1.1=Low Speed和Full Speed Compaq,Microsoft和National Semiconductor 硬件功能 > 软件功能⇒硬件做的事情更多,所以实现对应的软件驱动的任务,就相对较简单 扩展卡,嵌入式开发板的USB主控
    UHCI Intel 软件功能 > 硬件功能⇒软件的任务重,可以使用较便宜的硬件的USB控制器 PC端的主板上的USB主控
    EHCI USB 2.0=High Speed Intel 定义了USB 2.0主控中所要实现何种功能,以及如何实现 各种USB 2.0主控
    xHCI USB 3.0=Super
    Speed
    Intel 定义了USB 
    3.0主控中所要实现何种功能,以及如何实现
    各种USB 3.0主控

    2.1.2. USB接口的引脚定义

    USB接口的物理上的对应的引脚和对应含义等,可用下表概括:

    表 2.2. USB 1.x/2.0的引脚定义

    引脚名称电缆颜色描述
    1 VBUS Red +5 V,电源
    2 D− White Data −,数据线
    3 D+ Green Data +,数据线
    4 GND Black Ground,接地

    表 2.3. USB 3.0的引脚定义

    PINCOLORSIGNAL NAME(‘A’ CONNECTOR)SIGNAL NAME(‘B’ 
    CONNECTOR)
    1 Red VBUS
    2 White D−
    3 Green D+
    4 Black GND
    5 Blue StdA_SSRX− StdA_SSTX−
    6 Yellow StdA_SSRX+ StdA_SSTX+
    7 Shield GND_DRAIN
    8 Purple StdA_SSTX− StdA_SSRX−
    9 Orange StdA_SSTX+ StdA_SSRX+
    Shell Shell Shield

    2.1.3. USB的接口(CONNECTOR)类型

    由于USB的产生就是为了支持众多种应用的,而由于各种应用中,对于硬件接口的大小也有一些限制,比如有些小型设备或者移动式设备中,接口不能太大等,所以而设计出多种类型的接口,用于不同的应用。

    在介绍插头和插座之前,先多解释一下,基本的叫法。

    插头,plug,对应的也叫公口,即插别人的;

    插座,receptacle,对应也叫做母口,即被插的;

    对上述解释,想多了的,面壁去;没想多的,继续看技术介绍。

    下面就来简单的介绍一下不同的USB接口类型,即各种不同的插头插座:

    USB的接口类型,根据接口形状不同,主要可以分为三大类:

    1. 普通的硬件直接叫做Type
    2. 然后有小型版本的叫Mini迷你的
    3. 和更加小的,叫做Micro微小的

    其中每一种大类中,又都可以分为两类

    1. A类(Type A)
    2. B类(Type B)

     转自:http://blog.micro-studios.com/?p=2974

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