3. UHCI 主机控制器架构：UHCI 与 OHCI 的区别、寄存器模型、帧列表与 TD 结构

3.1 UHCI 与 OHCI 架构对比

USB 1.x 时代存在两种主流主机控制器接口标准：UHCI（Universal Host Controller Interface，Intel 主导）与 OHCI（Open Host Controller Interface，Microsoft/Compaq 主导）。两者在功能上等价，但设计哲学与硬件/软件分工截然不同。理解这些差异是调试 USB 1.1 低速事务的基础。

3.2 UHCI 寄存器模型

UHCI 主机控制器通过一组 I/O 映射的寄存器与软件交互。调试端口通过读取这些寄存器获取控制器状态、帧计数器、中断状态等信息。核心寄存器如下：

3.3 帧列表（Frame List）结构

帧列表是 UHCI 调度体系的核心。它是一个由 1024 个 32-bit 指针组成的数组，每个指针指向一个传输描述符（TD）链表或队列头（QH）。帧列表基址由 FLBASEADD 寄存器指定，必须 4KB 对齐。

// 帧列表条目格式（32-bit）
// 位 [31:4] : TD 或 QH 的物理地址（16 字节对齐）
// 位 [3:2]  : 保留
// 位 [1]    : QH 标志（0 = TD 指针，1 = QH 指针）
// 位 [0]    : 终止位（1 = 链表结束，无后续节点）

typedef struct {
    uint32_t pointer : 28;  // 物理地址高 28 位
    uint32_t reserved : 2;
    uint32_t qh_flag : 1;   // 0: TD, 1: QH
    uint32_t terminate : 1; // 0: 有效指针, 1: 链表结束
} FrameListEntry;

帧列表的遍历流程：

1. 软件在内存中构建 1024 个帧列表条目（每个条目 4 字节，共 4KB）。
2. 将帧列表基址写入 FLBASEADD 寄存器。
3. 硬件每 1ms 递增 FRNUM，以 FRNUM 的低 10 位作为索引访问帧列表。
4. 从帧列表条目中取出指针，开始遍历 TD 或 QH 链表，执行 USB 事务。
5. 遍历完成后，硬件等待下一个 SOF 帧，重复步骤 3。

3.4 传输描述符（TD）结构

传输描述符是 UHCI 中最基本的事务单元。每个 TD 描述一个完整的 USB 事务（Token + Data + Handshake）。TD 由软件在内存中构建，硬件通过帧列表遍历 TD 链表并执行事务。

// UHCI 传输描述符结构（32 字节）
typedef struct {
    // 字 0: 链接指针
    uint32_t link_pointer : 28;  // 下一个 TD 或 QH 的物理地址
    uint32_t reserved0 : 2;
    uint32_t qh_flag : 1;       // 0: TD, 1: QH
    uint32_t terminate : 1;     // 0: 有效, 1: 链表结束

    // 字 1: 控制状态
    uint32_t reserved1 : 1;
    uint32_t error_count : 2;   // 错误重试计数
    uint32_t low_speed : 1;     // 1: 低速设备
    uint32_t isochronous : 1;   // 1: 等时传输
    uint32_t ioc : 1;           // 完成中断使能
    uint32_t active : 1;        // 1: TD 激活
    uint32_t stalled : 1;       // 1: 设备返回 STALL
    uint32_t data_buffer_error : 1;
    uint32_t babble : 1;        // 1: 设备发送超长数据
    uint32_t nak : 1;           // 1: 设备返回 NAK
    uint32_t crc_timeout : 1;   // 1: CRC 超时或位填充错误
    uint32_t status : 8;        // 保留状态位
    uint32_t reserved2 : 12;

    // 字 2: 令牌信息
    uint32_t pid : 8;           // 令牌 PID（OUT=0xE1, IN=0x69, SETUP=0x2D）
    uint32_t device_address : 7; // 设备地址
    uint32_t endpoint : 4;      // 端点号
    uint32_t data_toggle : 1;   // 数据切换位
    uint32_t reserved3 : 12;

    // 字 3: 缓冲区指针
    uint32_t buffer_pointer;    // 数据缓冲区物理地址（4 字节对齐）

    // 字 4-7: 保留（扩展用途）
    uint32_t reserved4[4];
} UHCI_TD;

3.5 TD 链表与事务执行流程

UHCI 硬件逐帧遍历帧列表，对每个帧列表条目指向的 TD 链表执行以下步骤：

1. 读取 TD： 从帧列表条目或前一个 TD 的链接指针获取当前 TD 物理地址。
2. 检查 Active 位： 如果 Active=0，跳过该 TD，继续遍历下一个。
3. 检查低速标志： 如果 low_speed=1，硬件在发送 Token 前先发送 preamble 包。
4. 发送 Token 包： 根据 PID 字段发送 OUT/IN/SETUP 令牌。
5. 数据阶段： 对于 OUT/SETUP，从缓冲区读取数据发送；对于 IN，接收数据写入缓冲区。
6. 握手阶段： 等待设备返回 ACK/NAK/STALL，更新 TD 状态位。
7. 更新 TD： 硬件写回 TD 的状态位（Active 清 0、错误计数、NAK 等）。
8. 遍历下一个： 读取链接指针，如果 terminate=0，继续步骤 1。

3.6 调试端口视角：帧列表与 TD 的捕获方法

UHCI 调试端口通过 PCI 配置空间暴露主机控制器的 MMIO 基址。调试软件通过以下步骤捕获帧列表与 TD：

1. 获取基址： 读取 PCI 配置空间中的 BAR0（Base Address Register 0），得到 UHCI 寄存器 I/O 基址。
2. 读取 FLBASEADD： 从 I/O 基址 +0x08 读取 32 位帧列表基址。
3. 读取 FRNUM： 从 I/O 基址 +0x06 读取当前帧号，确定当前正在处理的帧列表条目。
4. 转储帧列表： 从 FLBASEADD 指向的物理地址读取 1024 个帧列表条目（4KB）。
5. 遍历 TD 链： 对每个有效的帧列表条目，跟随链接指针遍历 TD 链表，读取每个 TD 的 32 字节结构。
6. 解析 TD 字段： 提取低速标志、PID、设备地址、端点号、数据切换位、缓冲区指针等关键信息。
7. 捕获数据： 根据缓冲区指针读取实际 USB 数据包内容。

3.7 常见调试场景与问题定位