USB

«Расширенный» хост-контроллер — EHC

«Расширенный» хост-контроллер EHC (Enhanced Host Controller) был введен фирмой Intel для поддержки высокой скорости в USB 2.0. Его интерфейс — EHCI — описан в документе «Enhanced Host Controller Interface Specification for Universal Serial Bus», версия 1.0 опубликована в марте 2002 года. Контроллер EHC предназначен для работы с устройствами только на высокой скорости подключения к корневому хабу, при этом для устройств FS/LS, которые подключены через промежуточный хаб USB 2.0, контроллер EHC выполняет расщепленные транзакции. С теми портами корневого хаба, к которым непосредственно подключены хабы и устройства USB 1.x, работает контроллер-компаньон (UHC или OHC). Коммутацию портов и контроллеров осуществляет маршрутизирующая логика, входящая в состав корневого хаба USB 2.0. Обнаружением подключения устройств к корневому хабу занимается драйвер EHC через регистры EHC. Обнаружив подключение FS/LS-устройства, драйвер перекоммутирует данный порт на контроллер-компаньон, и с этого момента порт отдается в ведение компаньону и его драйверу. Компаньон и его драйвер могут и не «знать» о том, что они работают в составе контроллера USB 2.0. Для портов, остающихся в ведении EHC, эмулируется внешний хаб — ПО манипулирует портами, используя стандартные запросы к хабам USB.

Контроллер EHC имеет конфигурационные регистры PCI, операционные регистры ввода/вывода, отображенные на пространство памяти (memory mapped I/O) и использует область системной памяти для взаимодействия с драйвером. С точки зрения взаимодействия с драйвером EHC отчасти напоминает UHC, но высокая скорость передачи (480 Мбит/с) потребовала усиления интеллекта контроллера с целью уменьшения числа операций обмена между драйвером, памятью и контроллером. В EHC просматриваются многие идеи, заложенные в OHC. Структуры данных разработаны с учетом минимизации обращений к памяти. Все структуры должны размещаться в памяти так, чтобы они не пересекали границы четырехкилобайтных страниц памяти — это позволяет оптимизировать сосуществование OHC с виртуальной памятью, основанной на страничной переадресации, применяемой в процессорах x86.

В EHCI с точки зрения планирования транзакций передачи делятся на периодические (изохронные и прерывания) и асинхронные (управляющие передачи и массивы). Каждый из этих двух планов реализуется по-своему и может быть включен в работу и выключен. Контроллер начинает каждый микрокадр с выполнения периодических передач (если они разрешены), оставшееся от них время выделяется для выполнения асинхронных передач (аналогично UHC). За то, чтобы в микрокадре оставалось время для асинхронных передач, отвечает драйвер. Хост-контроллер аппаратно следит лишь за тем, чтобы транзакции не пересекали границу микрокадра: если контроллер «видит», что транзакция может не успеть завершиться к моменту EOF1, он ее не начнет. При этом возможна перестраховка, поскольку точное время исполнения транзакции заранее не известно (неизвестно, сколько придется вставить бит и каковы задержки в кабелях, хабах и устройстве).

Для всех передач с гарантированной доставкой (прерывания, управление и массивы) используются структуры данных qTD (Queue Element Transfer Descriptor), описывающие очереди буферов, обеспечивающие автоматическое упорядоченное исполнение потоков передач. В EHC под передачей понимается последовательность однотипных транзакций; ограничен лишь суммарный размер передаваемых блоков (20 Кбайт). Транзакции управления хост планирует как последовательность двух-трех «передач» (в терминах EHC). Драйвер может динамически (во время исполнения плана) добавлять новые передачи в очереди. Контроллер аппаратно поддерживает сигнализацию окончания блоков короткими пакетами: приняв короткий пакет, контроллер может пойти по альтернативной последовательности передач для данной очереди (то есть организуется условный переход). Для изохронных передач используются специальные структуры данных (iTD — Isochronous Transaction Descriptors для HS и siTD — Split-transaction IsochronousTransfer Descriptors для расщепления транзакций с FS-устройствами). Для изохронных передач на HS дескриптор может описывать передачу до 24 Кбайт данных, на FS — до 1023 байт.

Основой планирования периодических транзакций является список кадров (Frame List) на 1024, 512 или 256 вхождений. Базовый адрес и длина списка устанавливается программно, текущий элемент списка выбирается по счетчику кадров. Исполнение плана начинается в каждом микрокадре, таким образом, каждый текущий элемент списка выбирается 8 раз подряд, после чего контроллер переходит к следующему элементу. Элемент списка может указывать на iTD, siTD или заголовок очереди (QH), относящейся к прерываниям. Кроме того, он может указывать на специальные структуры (FSTN), используемые для обеспечения корректности отработки расщепленных транзакций около границы кадра. В элементе списка кроме собственно указателя имеется идентификатор типа структуры (Typ), на которую ссылается указатель (iTD, siTD, QH или FSTN), а также признак заглушкитерминатора (T). Все дескрипторы изохронных передач и заголовки очередей имеют «горизонтальный» указатель на следующую структуру, в котором также задается и тип (Typ) этой структуры, и признак заглушки-терминатора (T). Цепочка дескрипторов и заголовков очередей, начинающаяся от списка кадров, должна завершаться дескриптором (или заголовком), у которого установлен признак заглушки-терминатора (T). Только отработав такой дескриптор (или заголовок), контроллер приступает к исполнению плана асинхронных передач.

Для упрощения планирования расщепленных транзакций (они не должны пересекать границу кадра) контроллер организует фазовый сдвиг между кадрами шины (BFrame), которые видны хабам и устройствам по факту смены номера кадра в маркере SOF, и кадрами хоста (HFrame), которыми оперирует драйвер при построении планов и по которым выбираются периодические транзакции из списка кадров. Кадры шины отстают от кадров хоста на один микрокадр, более подробные пояснения (но не мотивы) приведены в спецификации EHCI. Для обслуживания расщепленных периодических транзакций имеется специальная структура (узел) FSTN, содержащая пару указателей: нормальный, обеспечивающий переход к следующей структуре (iTD, siTD, QH или FSTN), и обратный, который может указывать только на заголовок очереди. Нюансы планирования расщепленных транзакций здесь приводить не будем, с ними можно ознакомиться в спецификации EHCI.

Основой планирования непериодических транзакций является асинхронный список (asynchronous list), представляющий собой кольцо из заголовков очередей. В OHC регистр AsyncListAddr указывает на текущий элемент списка; к отработке этого элемента контроллер приступает, завершив отработку периодических передач в данном микрокадре (или сразу, если периодические передачи запрещены или отсутствуют). Далее, по мере отработки очередей, контроллер заносит в этот регистр адреса последующих указателей. Таким образом, обслуживание всех асинхронных очередей выполняется по кругу, без привязки к конкретным кадрам. Контроллер останавливает обход асинхронного списка, когда обнаруживает опустошение всех его очередей, для возобновления обхода требуется вмешательство драйвера. Нормальной дисциплиной обслуживания очередей является отработка одной шинной транзакции из очереди, после чего контроллер переходит к следующей очереди. Возможен и специальный режим парковки (Asynchronous Schedule Park Mode), в котором контроллеру разрешается выполнять подряд по несколько транзакций из одной очереди. Режим парковки распространяется на все очереди высокоскоростных асинхронных передач.

Дескриптор iTD описывает изохронную передачу, которая может выполняться за1–8 этапов (микрокадров, в которых происходит обращение к данному дескриптору). Каждому этапу в дескрипторе соответствует своя запись (transaction record), управляющая выполнением и отражающая состояние транзакции (активность, ошибки выполнения, необходимость прерывания по выполнению, реальная длина) и содержащая указатель на буфер данных. Каждый этап может выполняться за 1–3 транзакции в микрокадре (точка может быть широкополосной). Дескриптор содержит и описание конечной точки: адрес устройства и точки, направление, размер пакета. Контроллер формирует транзакции исходя из указанного размера пакета. Буферы для данных могут располагаться в разных физических страницах памяти, но логически они должны представлять собой непрерывную область в виртуальной памяти. Для хранения данных (максимум 8 этапов по три транзакции по 1024 байт — 24 576 байт) может потребоваться до 7 страниц по 4 кбайт; для всех этих страниц в дескрипторе имеются соответствующие указатели.

Дескриптор siTD описывает одну расщепленную транзакцию. Адресная часть содержит номер и направление конечной точки, адрес устройства, а также адрес и номер порта хаба, выполняющего трансляцию данной транзакции. В дескрипторе имеются поля битовых масок μFrame_S-mask и μFrame_C-mask, определяющих, в каких микрокадрах данного кадра должны выполняться транзакции SS и CS соответственно. Контроллер в дескрипторе отмечает микрокадры, в которых в действительности происходили транзакции CS. Дескриптор имеет обычный набор полей, управляющих выполнением и отражающих состояние транзакции (активность, ошибки выполнения, необходимость прерывания по выполнению, реальная длина). Кроме того, в siTD имеются специфические поля, управляющие текущей фазой (SS или CS), а также признак специфической ошибки расщепленной транзакции — пропуска микрокадра, в котором должна выполняться очередная транзакция CS. Этот пропуск может случиться, если контроллер не выпустит текущую транзакцию из-за нехватки времени в микрокадре. Блок передаваемых данных (до 1023 байт) может располагаться в одной или двух физических страницах памяти, и в дескрипторе для них имеются необходимые указатели. В siTD имеется специфический элемент — обратный указатель (Back Pointer) на siTD предыдущего кадра, который используется при планировании транзакций IN, завершающихся близко к границе кадра.

Элемент очереди-дескриптор передачи qTD, описывает одну передачу размером до 20 480 байт. Дескриптор привязан к своему заголовку очереди (QH); он содержит пару указателей на следующие элементы данной очереди:

  • основной, указывающий на дескриптор следующей передачи, которую требуется выполнить после нормального завершения текущей;
  • альтернативный, указывающий на дескриптор передачи, которую требуется выполнить в случае завершения текущей передачи по приему короткого пакета

Дескриптор имеет обычный набор полей, управляющих выполнением и отражающих состояние транзакции: активность, ошибки выполнения, необходимость прерывания по выполнению, используемый маркер (IN, OUT или SETUP). В дескрипторе указывается общая длина передачи. Буфер данных для передачи должен располагаться в непрерывной области виртуальной памяти; для описания буфера передачи максимальной длины имеется массив из пяти указателей физических страниц.

Заголовок очереди QH создается для каждой сконфигурированной неизохронной конечной точки каждого устройства USB. Заголовки очередей непериодических конечных точек связаны между собой по горизонтали в кольцо, для чего в каждом заголовке имеется соответствующий указатель. Заголовок очереди несет исчерпывающее описание конечной точки: номер и направление точки, максимальный размер пакета, число пакетов в микрокадре (для широкополосных точек), адрес устройства, его скорость. Для FS/LS устройств имеется и информация для выполнения расщепленных транзакций: номер хаба и порта, выполняющего расщепление транзакций, маски микрокадров для транзакций SS и CS. В заголовке очереди имеется оверлейная область, в которую контроллер помещает необходимые ему поля qTD текущей транзакции. Продвижение по очереди осуществляет контроллер, помещая в оверлей следующий qTD после завершения отработки предыдущего.

Контроллер EHC вырабатывает прерывания для разных категорий событий, и категории могут быть селективно замаскированы:

  • по завершении передачи, в дескрипторе которой имеется соответствующий признак, а также по приему короткого пакета. Эти прерывания могут быть задержаны по времени до определенного задаваемого программно порога, что позволяет снизить частоту запросов прерывания от EHC. Без задержки частота запросов может достигать частоты микрокадров (для IBM PC это слишком часто); с задержкой они не смогут появляться быстрее, чем определяет значение порога;
  • по событию хост-контроллера: оборот по списку кадров, изменению состояния или перегрузке портов хаба, специальному разрешению программного изменения последовательности заголовков очередей, по ошибке системного подключения (переполнение или переопустошение буфера FIFO из-за занятости шины PCI).

Постановка запросов передач в очереди, как и включение изохронных передач в план, а также добавление/удаление очередей может выполняться драйвером динамически, во время работы хост-контроллера. Однако для сохранения целостности и связанности структур программа должна соблюдать определенные правила взаимодействия, чтобы не пытаться изменять структуры, которые в данный момент отрабатываются контроллером. Для этой синхронизации хост-контроллер использует специальные биты-признаки в своем регистре состояния и в структурах данных. Для «сбора урожая» — поиска отработанных передач — драйверу приходится просматривать во всех дескрипторах передач признаки активности. Такого сервиса, как очередь исполненных передач (как в OHC), контроллер EHC не предоставляет. Но по сравнению с UHC, конечно же, объем работ драйвера EHC сокращается, поскольку этот контроллер оперирует передачами, а не транзакциями. Однако у драйвера EHC появляется дополнительная довольно сложная задача — планирование расщепленных транзакций.



Sitelinkx by eXtro-media.de
Яндекс.Метрика