嵌入式USB Host驱动与ehci控制器适配 - 第1节

1.1 USB总线拓扑结构

USB（Universal Serial Bus）采用星形-级联拓扑，由主机（Host）、集线器（Hub）和设备（Device）三层节点构成。物理上最多支持7层深度（含根集线器），逻辑上最多可挂接127个设备（含集线器）。

1.2 主机与设备角色

1.2.1 主机（Host）

• 唯一总线主控：所有传输事务由主机发起，设备不能主动发送数据。
• 调度器：管理帧/微帧时间片，按传输类型分配带宽。
• 枚举器：检测设备插入/拔出，分配地址，加载驱动。
• 电源管理：控制端口供电、挂起/唤醒。

1.2.2 设备（Device）

• 端点（Endpoint）：设备内部的数据收发单元，每个端点有唯一编号和方向。
• 接口（Interface）：一组端点的集合，对应一个功能（如 HID、Mass Storage）。
• 配置（Configuration）：设备可切换的工作模式，每种配置包含若干接口。

1.3 USB传输类型

USB 2.0 定义了四种传输类型，分别对应不同的带宽、延迟和可靠性需求。EHCI 控制器为每种类型提供独立的硬件调度队列。

1.3.1 控制传输

• 用途：设备枚举、获取描述符、设置配置、类特定命令。
• 阶段：建立阶段（Setup）→ 数据阶段（Data，可选）→ 状态阶段（Status）。
• 特点：最高可靠性，硬件自动重试，每个设备必须实现端点0。

1.3.2 批量传输

• 用途：大块数据，如 U盘读写、打印机数据。
• 特点：利用空闲带宽，无实时性保证，硬件自动重试直到成功或超时。
• EHCI 实现：异步列表中的 QH 按轮转调度，批量端点可抢占空闲帧时间。

1.3.3 中断传输

• 用途：周期性小数据，如鼠标坐标、键盘按键。
• 特点：保证最大延迟（bInterval 字段指定轮询间隔），硬件重试。
• EHCI 实现：周期列表中的 iTD/siTD 描述符，按帧/微帧调度。

1.3.4 同步传输

• 用途：实时流数据，如音频、视频。
• 特点：固定带宽，无重试，允许少量丢包。
• EHCI 实现：周期列表中的 iTD（高速）或 siTD（全速），微帧级精确调度。

1.4 传输事务与帧结构

USB 2.0 以帧（Frame）为时间单位，每帧 1ms。高速模式（480 Mbps）下每帧进一步划分为 8 个微帧（Microframe），每个 125μs。EHCI 控制器在每微帧开始时加载周期列表，执行完毕后处理异步列表。

1.4.1 事务组成

每个 USB 传输事务由以下阶段组成：

1. 令牌包（Token）：主机发送，标识传输类型、方向、端点地址。
2. 数据包（Data）：数据负载，最大 1024 字节（高速批量）。
3. 握手包（Handshake）：设备返回 ACK/NAK/STALL/NYET 状态。

1.4.2 传输速率对比