Что можно подключить через usb host. Что же такое USB OTG? Как выбрать переходник, и всегда ли он необходим

Я начинаю серию справочных статей по отдельным компонентам и функциям различных электронных устройств - планшетов, ноутбуков, ридеров, плееров и так далее. Это такой своеобразный ликбез в сфере бытовой электроники. Я постараюсь сделать эти статьи понятными для максимально широкого круга людей.

Тема сегодняшней статьи - USB-host (USB-хост) . Это весьма примечательная функция, которой оснащается достаточно большое количество устройств (в основном, правда, довольно дорогих), и рассказать о ней определенно стоит. Также я расскажу и о функции USB OTG - фактически, более современной разновидности USB-хоста.

Если говорить максимально просто и доступно, то наличие USB-хоста на каком-нибудь устройстве означает возможность подключения к нему различных внешних устройств - например, флэшек, внешних жестких дисков, кардридеров, плееров, фотоаппаратов и так далее. Весьма интересна возможность подключения и внешней «периферии» - клавиатур, мышек и так далее.

Устройство с функцией USB-хоста обладает полноценным портом USB и специальным программным обеспечением (в частности, драйверами), которое позволяет осуществлять работу с подключаемыми устройствами: передавать на них файлы, копировать файлы с них, использовать подключенное устройство в качестве клавиатуры и так далее.

Что интересно, к устройству с USB-хостом можно подключать также USB-хабы - устройства, которые подобны сетевым тройникам. Например, на планшетах обычно имеется только один порт USB. Подключив к нему USB-хаб (а стоит он недорого), вы получите уже два или даже четыре порта, что весьма удобно - например, к одному можно подсоединить клавиатуру, а к другому подключать флэшки.

В каких случаях USB-хост удобен и нужен? Да во многих. Согласитесь, возможность скопировать файлы на плеер, планшет или ридер без подключения его к компьютеру не может не радовать. Вам надо просто подключить к устройству флэшку или какое-либо другое устройство, с которого вам нужно перенести файлы.

Весьма приятна возможность перенести снимки с фотоаппарата на планшет или плеер с жестким диском, и тем самым освободить память фотоаппарата, сделать еще больше снимков. Подключение клавиатуры к планшету - тоже очень приятная возможность. Удобны и принтеры с наличием USB-хоста: к ним можно напрямую подключать фотоаппараты, телефоны, флэшки и печатать снимки или документы прямо с них; компьютер для этого совершенно необязателен.

При этом стоит отметить, что само наличие функции USB-хоста еще не гарантирует его нормальную работу. В частности, процесс обмена файлами через USB может осуществляться достаточно сложным и неудобным образом - в качестве примера можно привести PocketBook 302 (это, кстати, единственный ридер, оснащенный USB-хостом). Какие-то устройства могут просто не подключиться ввиду отсутствия драйверов или неких недоработок программистов, писавших программное обеспечение для USB-хоста.

Именно поэтому я советую перед покупкой того или иного устройства проверить, насколько качественно реализована в нем опция USB-host. Попробуйте подключить флэшку, посмотреть, насколько легко и удобно можно скопировать файлы с нее и на нее. Если у вас есть usb-клавиатура, которую вы планируете использовать вместе с покупаемым устройством, не лишним будет проверить корректность ее работы. Если же вы соберетесь купить такую клавиатуру уже после покупки самого устройства, то возьмите с собой в магазин это устройство и проверьте, насколько корректно будут с ним работать представленные в магазины клавиатуры.

Стоит отметить, что сейчас имеются в продаже устройства и с поддержкой так называемого USB OTG . Я бы сказал даже, что USB OTG сейчас встречается в устройствах довольно часто, чаще, чем классический USB-хост. В чем основное отличие USB OTG? В том, что USB OTG не предполагает наличие отдельного классического полноразмерного порта USB. Для подключения периферийных устройств используется порт microUSB или miniUSB, который, вообще говоря, служит главным образом для связи устройства с компьютером. На устройстве с USB OTG этот порт фактически совмещает в себе функции USB-host (подключение периферии) и USB-device (подключение к компьютеру).

Чтобы к miniUSB/microUSB порту с поддержкой OTG подключить флэшку или, скажем, клавиатуру, необходимо приобрести специальный переходник, который стоит порядка 500 рублей (при желании его можно найти по более низкой цене или же вовсе сделать самому - в интернете есть инструкции). Затем нужно вставить этот переходник в порт miniUSB/microUSB, а к соответствующему выходу переходника подключить нужное вам периферийное устройство.

И тут опять же стоит отметить, что не на всех устройствах USB OTG реализовано хорошо. Где-то поддержка USB OTG может быть заявлена, но ввиду отсутствия необходимого программного обеспечения она не работает. Пример - ридеры Onyx Boox. Также стоит отметить, что внешние жесткие диски по протоколу USB OTG подключить вряд ли удастся: они потребляют слишком много энергии; планшет «прокормить» их просто не в состоянии.

Так мы плавно переходим к основному недостатку USB-хоста (как классического, так и USB OTG): его активное использование способствует быстрой разрядке устройства. Конечно, клавиатура много энергии пожирать не будет, а вот постоянно подключенная и использующаяся флэшка - будет.

Под конец стоит ответить на вопрос: почему USB OTG сейчас популярнее, чем обычный USB-host? Ответ, на самом деле, довольно прост: USB OTG позволяет уменьшить толщину и вес устройства. В случае с классическим USB-host’ом в устройство надо встроить полноразмерный USB-порт (соответственно, увеличивается толщина) и обычный mini/micro-USB порт - для подключения к компьютеру (увеличивается и итоговый вес). В случае с USB OTG надо установить только один mini/microUSB-порт, просто многофункциональный - работающий и на вход, и на выход. Более того, USB OTG отличается более низким энергопотреблением, хотя и не позволяет поэтому подключать такие прожорливые устройства, как внешние жесткие диски.

Но USB OTG не лишен и недостатков, главным из которых является необходимость покупки переходника и постоянной его переноски с собой.

Посмотреть, поддерживает ли интересующее вас устройство опцию USB-host или USB OTG, можно на странице описания устройства в разделе «Технические характеристики» («Спецификации»). Описание, разумеется, можно найти на сайте производителя устройства, а также на сайтах многих магазинов.

Статьи и Лайфхаки

Темой нашей статьи является USB-host – достаточно примечательная функция, о которой, к сожалению, знают далеко не все владельцы устройств. Мы расскажем, что такое usb host на планшете , а также упомянём USB OTG.

Сегодня этой функцией оснащается множество самого различного (зачастую дорогостоящего) высокотехнологичного оборудования. Её существование кажется вполне логичным, однако она неоднократно забывалась и вновь вспоминалась пользователями.

Одними из лидеров современного рынка планшетов и мобильных аппаратов являются устройства под управлением Android. Сегодня эта платформа вновь на пике популярности, и нам не потребуются никакие дополнительные адаптеры и кабели, чтобы подключить USB. Если встроенный USB отсутствует, рекомендуется воспользоваться USB OTG, или же обычным микро-USB переходником.

USB host на планшете: что это такое?

Фактически слово «хост» означает любое устройство, а также узел/сервер, подключённый к локальной или глобальной сети. Если же мы говорим о USB-host, его наличие позволяет подключать к нашему планшету внешний жёсткий диск, flash-накопитель, фотоаппарат, card-reader и т.д. Примечательно, что допускается также подключение внешней клавиатуры и мыши.

Если в устройстве есть встроенная функция USB-host, тогда его особенностью является наличие специального ПО (включая драйверы) и порта USB. Это позволяет нам взаимодействовать на нашем планшете с другими устройствами – например, копировать файлы, или же пользоваться подключённой внешней мышью. Кроме того, мы сможем подключать к нашему оборудованию так называемый USB-hub, подобный сетевым тройникам. Он недорогой, зато позволяет сделать из одного порта 2-4 новых.

К сожалению, само наличие такой функции, как USB-host, не гарантирует корректность её работы. Например, из-за отсутствия какого-либо одного драйвера мы не сможем работать с фотоаппаратом, подключённым к планшету. Ещё до покупки оборудования желательно убедиться в том, что такая функция реализована достаточно качественно.

Итак, мы выяснили, что такое usb host на планшете. Теперь поговорим о USB OTG. Фактически данная функция представляет собой более современную разновидность USB-host.

USB OTG как разновидность USB host на планшете

На сегодняшний день в продаже можно найти много устройств с такой функцией. Иногда даже кажется, что USB OTG в последнее время встречается даже чаще, чем USB-host. Чем отличаются они друг от друга? Первая функция предполагает отсутствие отдельного полноценного USB-порта. Если мы хотим подключить внешнее устройство, то можем воспользоваться мини- или микро-USB портом.

Фактически USB OTG совмещает в себе функции подключения к ПК (девайса) и USB-host (периферии). При этом для подключения планшета к любому внешнему устройству понадобится особый переходник. Его легко приобрести через Интернет. К сожалению, как и USB-host, функция USB OTG не работает корректно на всех устройствах – в частности, если на них не установлено специальное ПО. Также не всегда получается подключать внешние жёсткие диски.

23.1. Описание каналов

Для USB хост контроллера вместо термина "конечная точка", который применяется для контроллера USB устройства, используется термин "канал". Канал хоста соответствует конечной точки устройства, как это описано в спецификации USB.

Рисунок 23.1. Каналы и конечные точки в системе USB

В USB хост контроллере канал ассоциируется с конечной точкой устройства в соответствии с дескриптором конфигурации устройства.

23.2. Отсоединение

Значение бита DETACH после сброса равно 1. Поэтому программное обеспечение должно сбросить этот бит перед переключением в режим хоста (установкой бита HOST).

23.3. Включение и сброс

Нижеприведенная схема объясняет основные состояния контроллера USB хоста при включении.

Рисунок 23.2. Состояния USB хост контроллера после сброса

Состояние USB хост контроллера после сброса "сброс". Когда USB контроллер разрешен и выбран режим хоста, USB контроллер находится в состоянии "idle". В этом состоянии USB хост контроллер ожидает подключения устройства пир этом потребляя минимум мощности. Выводы USB должны быть в состоянии "idle". Для перехода в режим "host ready" нет необходимости активировать ФАПЧ. Хост контроллер переходит в приостановленное (suspend) состояние когда USB шина находится в приостановленном состоянии, т.е. когда хост контроллер не генерирует начала фрейма (Start of Frame). В этом состоянии потребление USB контроллера минимально. Хост контроллер выходит из приостановленного состояния, когда начинает генерировать SOF на линии USB.

23.4. Обнаружение устройства

Устройство обнаруживается USB контроллером, когда состояние USB шины отличается от низких уровней на обоих линиях D+ и D-. Другими словами, когда USB хост контроллер обнаруживает подтяжку (соответствующую устройству) на линии D+ . Для разрешения этого обнаружения хост контроллер должен обеспечить питание устройства по линии Vbus. Отсоединение устройства обнаруживается хост контроллером по состоянию "idle", соответствующему низким уровням на USB линиях D+ и D-.

23.5. Выбор канала

Перед любой операцией, проводимой ЦПУ, должен быть выбран канал. Это осуществляется установкой битов PNUM2:0 (регистр UPNUM) в соответствии с номером канала, с которым будет работать ЦПУ. После чего у ЦПУ есть доступ к регистрам канала и данным.

23.6. Конфигурация канала

Следующая последовательность действий должна быть выполнена для активации канала.

Рисунок 23.3. Последовательность действий для активации канала

После того, как канал активизирован (установлен бит EPEN), контроллер готов к посылке запросов устройству. После конфигурации (CFGOK = 1), может изменяться только маркер канала (PTOKEN) и интервал опроса для изохронного канала. Управляющий канал поддерживает только 1 банк. Любое другое значение приведет к ошибке конфигурации (CFGOK = 0).

Сброс PEN приводит к сбросу конфигурации канала. Все связанные с каналом регистры принимают значения по умолчанию. Более подробно см. главу Memory Management.

Заметьте: программное обеспечение должно сконфигурировать управляющий канал со следующими параметрами:

• тип: управляющий,
• маркер: SETUP,
• банк данных: 1,
• размер 64 байта.

Программное обеспечение запрашивает 8 байт дескриптора устройства (Device Descriptor) с помощью посылки запроса GET_DESCRIPTOR. Эти байты содержат максимальный размер пакета (MaxPacketSize) контрольной точки устройства, а ропграммное обеспечение реконфигурирует размер управляющего канала в соответствии с полученными данными.

23.7. USB сброс

USB контроллер посылает USB сброс, когда программно устанавливается бит RESET. Бит RSTI устанавливается аппаратно, когда запрос на USB сброс послан. Это приводит к прерыванию, если бит RSTE установлен. Когда USB сброс отправлен, конфигурация всех каналов и распределение памяти сбрасывается. Регистр разрешения общих USB прерываний остается без изменений. Если перед этим линия была в приостановленном состоянии (SOFEN = 0), USB контроллер автоматически переключается в режим возобновления (resume) (устанавливается бит HWUPI) и аппаратно устанавливается бит SOFEN для генерации сразу после USB сброса SOF.

23.8. Установление адреса

После того, как USB устройство ответило на первый запрос хоста с адресом по умолчанию (0), хост присваивает устройству новый адрес. Хост контроллер должен послать устройству USB сброс и послать управляющий запрос SET ADDRESS с новым адресом, который должно использовать устройство. После окончания этого управляющего запроса программное обеспечение должно записать новый адрес в регистр UHADDR. Все последующие запросы по всем каналам будут осуществляться с использованием этого адреса. Когда хост контроллер посылает USB сброс, регистр UHADDR сбрасывается аппаратно и следующий запрос хоста будет использовать адрес по умолчанию (0).

23.9. Обнаружение удаленного пробуждения

При сбросе бита SOFEN хост контроллер переходит в приостановленный режим. Ни один старт фрейма (Start Of Frame) больше не посылается в линию USB и USB устройство переходит в приостановленный режим на 3 мс позже. Устройство возобновляет работу хоста посылкой запроса на удаленное пробуждение (Upstream Resume). Хост контроллер обнаруживает не idle состояние на шине USB и устанавливает бит HWUPI. Если не idle состояние соответствует удаленному пробуждению (состояние K), то аппаратно устанавливается бит RXRSMI. Программное обеспечение путем установки бита RESUME должно отправить запрос на возобновление работы устройства в течение 1 мс и длительностью 20 мс как минимум. После отправки запроса на возобновление автоматически аппаратно устанавливается бит SOFEN для генерации SOF сразу после возобновления работы.

Листая характеристики смартфонов или планшетов на Android, нередко сталкиваешься с аббревиатурой USB OTG. Первая часть знакома и понятна по флешкам, а вторая вызывает вопрос – что это за зверь и нужен ли он мне? Название технологии малопонятное, но OTG штука полезная для любого практичного пользователя смартфона. Разберемся, зачем нужен OTG в мобильном устройстве.

USB OTG: что это такое

OTG расшифровывается как «on-the-go», т.е. на ходу. Стандарт позволяет устройствам «разговаривать» друг с другом без помощи посредника. Допустим, вы решили распечатать фотографии со смартфона или скопировать с него файлы на флешку, а компьютера под рукой не оказалось. Что делать? Бежать в магазин за специальным кабелем (фото ниже). С помощью подобного «шнурка» можно напрямую подключить смартфон практически к любому устройству по USB, минуя посредника в виде компьютера или ноутбука.

На этом возможности USB OTG не заканчиваются. Смартфон может выступать в качестве USB-хоста, позволяя подключать различную периферию – клавиатуру, мышь и даже музыкальные инструменты с соответствующим контроллером.

У USB OTG есть собственный логотип. Достаньте упаковку смартфона или планшета и посмотрите на коробку. Если видите логотип стандарта, то устройство поддерживает этот полезный стандарт. В случае, если упаковка давным-давно утеряна, вбейте в любой поисковик модель вашего смартфона и аббревиатуру OTG и почитайте технические характеристики по первой же ссылке, поддержка стандарта обязательно будет упомянута. Альтернативный вариант – скачать бесплатное приложение USB Host Diagnostic из Google Play.

Как использовать OTG на смартфоне или планшете.

Во-первых, потребуется докупить специальный кабель OTG. Во-вторых, может понадобиться специальное приложение, такое как уже упоминавшийся USB Host Controller или Total Commander. Скачать приложения можно в Google Play. Кабель для OTG стоит недорого – от 70 рублей на Aliexpress до 100-200 в ближайшем салоне связи или интернет-магазине.

Что можно сделать с OTG

Стандарт позволяет подключать к смартфону разнообразные устройства по USB, как для хранения данных, так и для расширения функционала смартфона/планшета. Допустим, у вас нет компьютера, облачными хранилищами вы не пользуетесь, а память на смартфоне уже почти вся занята фильмами, музыкой, фотографиями и видео. Выход – купить жесткий диск (внешний), кабель OTG и использовать накопитель в качестве устройства для резервного копирования данных. Альтернативный вариант – воспользоваться емкой флешкой.

Какие устройства позволяет подключать к смартфону OTG

Список периферии, подключаемой к смартфону по OTG обширен, ограничимся самыми популярными устройствами:

• Флешка.
• Внешний жесткий диск.
• Клавиатура.
• Мышь.
• MIDI-клавиатуры и другие музыкальные устройства.
• Другой смартфон или планшет.
• Игровой контроллер (например, геймпад от Xbox).
• Принтер.
• Портативный сканер.

У каждой шины USB должен быть один (и только один!) хост — компьютер с контроллером USB. Однако понятие компьютер отнюдь не означает лишь привычные варианты настольных, напольных, портативных компьютеров. Компьютер — это сочетание процессора, памяти и периферийных устройств; в таком понимании в большинстве современных устройств присутствуют встроенные компьютеры. Если «интеллекта» этого компьютера и его возможностей диалога с пользователем оказывается достаточно, то он может взять на себя роль хоста USB. Такой вариант хоста рассматривается в последнем параграфе данной главы.

«Классический» хост USB делится на три основных уровня:

• интерфейс шины USB обеспечивает физический интерфейс и протокол шины. Интерфейс шины реализуется хост-контроллером, имеющим встроенный корневой хаб, обеспечивающий точки физического подключения к шине (гнезда USB типа «A»). Хост-контроллер отвечает за генерацию микрокадров. На аппаратном уровне хост-контроллер обменивается информацией с основной памятью компьютера, используя прямое управление шиной (bus-mastering) с целью минимизации нагрузки на центральный процессор;
• система USB, используя хост-контроллер(ы), транслирует клиентское «видение» обмена данными с устройствами — запросы IRP (I/O Request Packet — пакет запроса ввода/вывода) — в транзакции, выполняемые с реальными устройствами шины. Система отвечает и за распределение ресурсов USB — полосы пропускания и мощности источников питания (для устройств, питающихся от шины). Система состоит из трех основных частей:

1. драйвер хост-контроллера — HCD (Host Controller Driver) — модуль, привязанный к конкретной модели контроллера, обеспечивающий абстрагирование драйвера USB и позволяющий в одну систему включать несколько разнотипных контроллеров;
2. драйвер USB — USBD (USB Driver) — обеспечивает основной интерфейс (USBDI) между клиентами и устройствами USB. Интерфейс HCDI (Host Controller Driver Interface) между USBD и HCD спецификацией USB не регламентируется. Он определяется разработчиками ОС и должен поддерживаться разработчиками хост-контроллеров, желающих иметь поддержку своих изделий конкретными ОС. Клиенты не могут пользоваться интерфейсом HCDI; для них предназначен интерфейс USBDI. USBD обеспечивает механизм обмена в виде пакетов IRP, запрашивающих транспортировку данных по заданному каналу. Кроме того, USBD отвечает за некоторое абстрактное представление устройства USB клиенту, которое позволяет выполнять конфигурирование и управление состоянием устройств (включая и стандартное управление через конечную точку «0»). Реализация интерфейса USBDI определяется операционной системой; в спецификации USB излагаются только общие идеи;
3. программное обеспечение хоста реализует функции, необходимые для функционирования системы USB в целом: обнаружение подключения и отключения устройств и выполнение соответствующих действий по этим событиям (загрузки требуемых драйверов), нумерацию устройств, распределение полосы пропускания и потребляемой мощности, управление состоянием энергопотребления и т. п.

• клиенты USB — программные элементы (приложения или системные компоненты), взаимодействующие с устройствами USB. Клиенты могут взаимодействовать с любыми устройствами (наборами их доступных конечных точек, входящих в выбранные интерфейсы), подключенными к системе USB. Однако система USB изолирует клиентов от непосредственного обмена с какими-либо портами (в пространстве ввода/вывода) или ячейками памяти, представляющими интерфейсную часть контроллера USB.

В совокупности уровни хоста предоставляют следующие возможности:

• обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;
• манипулирование потоками управления между устройствами и хостом;
• манипулирование потоками данных;
• сбор статистики активности и состояний устройств;
• управление электрическим интерфейсом между хост-контроллером и устройствами USB, включая управление электропитанием.

Программная часть хоста в полном объеме реализуется операционной системой. До загрузки ОС может функционировать лишь усеченная часть ПО USB, поддерживающая только устройства, требующиеся для загрузки. Так, в BIOS современных системных плат имеется поддержка клавиатуры USB, реализующая функции сервиса Int 9h. После загрузки системы USB эта «дозагрузочная» поддержка игнорируется — система начинает работу с контроллером «с чистого листа», то есть со сброса и определения всех подключенных устройств. В спецификации PC’2001 выдвигается ряд требований к BIOS, в частности требование поддержки загрузки ОС с устройств USB.

Хост-контроллер является аппаратным посредником между устройствами USB и хостом. В настоящее время имеется три спецификации хост-контроллеров, каждой из которых соответствует свой комплект драйверов хост-части:

• UHC (Universal Host Controller) — универсальный хост-контроллер для шины USB 1.x, разработанный Intel;
• OHC (Open Host Controller) — «открытый» хост-контроллер для шины USB 1.x, разработанный Compaq, Microsoft и National Semiconductor;
• EHC (Enhanced Host Controller) — расширенный хост-контроллер для поддержки высокой скорости шины USB 2.0.

Все эти варианты контроллеров выполняют одни и те же задачи: организуют физические транзакции с устройствами по шине USB в соответствии с описаниями (дескрипторами) этих транзакций, помещенными в системное ОЗУ драйвером хост-контроллера. При этом транзакции разных типов обрабатываются по-разному. В плане обработки ошибок проще всего устроены изохронные транзакции, где ошибки не требуют повторов. Транзакции передач с гарантированной доставкой в случае ошибок требуют повторов до победного конца или признания неудачи (исчерпания допустимого числа повторов). С точки зрения планирования следует выделить периодические транзакции, которые должны выполняться строго по графику, остальные — как получится, и их ставят в очереди. Из-за особенностей планирования и возможных повторов порядок завершения обработки дескрипторов транзакций (успешных или нет) будет отличаться от порядка их помещения в память1, что прибавляет забот хост-контроллеру и его драйверу. Три варианта хостконтроллеров решают эти задачи по-разному и используют разные стратегии планирования транзакций, что иллюстрирует таблицы ниже.

Хост-контроллер UHC от Intel появился в микросхеме PIIX3 (мост PCI-ISA) чипсетов системных плат для процессоров Pentium и используется во многих последующих изделиях Intel. Это FS/LS хост-контроллер, который большую часть забот по планированию транзакций перекладывает на ПО, — драйвер контроллера UHC (UHCD). Интерфейс контроллера UHC описан в документе Universal Host Controller Interface (UHCI) Design Guide, версия 1.1 вышла в 1996 году.

Драйвер UHC формирует для хост-контроллера дескрипторы, называемые в UHCI «дескрипторами передач» (TD — Transfer Descriptor), на самом деле описывающие каждую шинную транзакцию. Напомним, что в терминах спецификации USB одна передача (transfer) может состоять из нескольких транзакций, а в управляющих передачах используется еще и свой тип транзакции для каждой фазы. Для транзакций передач с гарантированной доставкой дескрипторы TD приходится организовывать в очереди. Очереди нужны для таких передач, поскольку заранее не известно, сколько раз придется пытаться их исполнить. Продвижение очереди возможно только по успешному выполнению транзакции, находящейся в голове очереди, — это правило обеспечивает гарантированный порядок (в пределах своей очереди) доставки пакетов. Каждая очередь имеет свой заголовок (QH). Изохронные передачи исполняются всегда однократно (здесь нет гарантированной доставки), что упрощает их планирование. Драйвер размещает дескрипторы TD и QH в памяти и связывает их между собой в соответствии с планом выполнения транзакций в каждом кадре. Драйверу UHC приходится составлять детальное «расписание» для каждого будущего кадра, для чего используется список Frame List на 1024 кадра. Хост-контроллер обходит списки дескрипторов, начиная с точки, на которую указывает Frame List для текущего кадра, и выполняет соответствующие транзакции. Результат исполнения транзакции помечается в ее дескрипторе, отработанная транзакция помечается как «неактивная», и контроллер, встретив ее при очередном обходе, просто переходит к следующей. Драйвер должен периодически просматривать дескрипторы, извлекая уже отработанные и передавая результаты выполнения клиентскому драйверу. Логика работы контроллера подразумевает, что одному запросу ввода/вывода (IRP) от клиентского драйвера может соответствовать несколько «передач» — элементов очереди. Драйвер UHC разбивает запрос на транзакции и помещает дескрипторы этих транзакций в соответствующую очередь, а очередь включает в ближайшие планы. Драйвер отвечает за балансировку загрузки шины в каждом кадре, в частности, за гарантию предоставления не менее 10% полосы для транзакций управляющих передач. Планированием кадров также обеспечивается требуемая частота обращений к точкам периодических передач.

Контроллер UHC является активным устройством PCI (Bus-Master). Основное взаимодействие драйвера с хост-контроллером происходит с помощью дескрипторов, расположенных в памяти. Контроллер имеет регистры (в пространстве ввода/вывода), с помощью которых можно управлять его поведением: выполнять сброс, глобальную приостановку и пробуждение, подстраивать частоту кадров, управлять запросами прерываний, управлять портами встроенного корневого хаба. Контроллер позволяет работать в отладочном режиме, останавливаясь после выполнения каждой транзакции.

В процессе отработки плана контроллер считывает из памяти дескрипторы и данные, необходимые для начала транзакции. Как только в FIFO-буфер контроллера из памяти поступает информация, достаточная для начала транзакции, контроллер начинает транзакцию на шине USB. В процессе ее исполнения производится передача данных, после завершения контроллер модифицирует дескрипторы в памяти в соответствии с условиями завершения транзакции. В процессе отработки транзакции могут возникать ошибки переполнения или переопустошения FIFO-буфера, связанные с перегрузкой контроллера системной памяти или шины PCI. Эти серьезные ошибки инициируют аппаратные прерывания. В состав хостконтроллера входит и корневой хаб на 2 или более порта.

Прерывания от UHC могут инициироваться различными событиями, такими как выполнение транзакций (избранных), обнаружение приема короткого пакета, прием сигнала возобновления, или в результате ошибки. Прерываний по подключению-отключению устройств контроллер не вырабатывает.

В контроллере UHC имеется специальная поддержка традиционного интерфейса клавиатуры и мыши через контроллер 8042 — перехват обращений к портам 60h и 64h пространства ввода/вывода. При разрешенной эмуляции по обращениям ПО к этим портам UHC вызывает системное прерывание SMI (System Management Interrupt), обрабатывающееся в ПК на процессорах x86 в режиме SMM (System Management Mode), невидимо для обычных программ. Обработчик SMI, перехватывающий эти обращения, формирует последовательности действий, необходимые для их исполнения с помощью клавиатуры и (или) мыши USB. Единственное исключение делается при перехвате команд, управляющих вентилем GateA20, — вместо генерации SMI манипуляции этим вентилем выполняются аппаратно (как это давно делается и в 8042). Эта аппаратная поддержка включается установкой соответствующих параметров CMOS Setup.

Большое неудобство работы с UHC возникает из-за необходимости программного просмотра всех дескрипторов передач на предмет выявления завершенных. Дескрипторы завершенных передач необходимо программно извлекать из цепочек, сохраняя связанность элементов. Планирование транзакций (составление списков дескрипторов и заголовков) — тоже достаточно трудоемкая задача для драйвера. Очевидно, преследовалась цель упрощения аппаратных средств хост-контроллера. Однако это может обернуться зависимостью эффективной производительности шины USB от мощности и загрузки центрального процессора. Такой подход к организации ввода/вывода трудно назвать эффективным.

Драйвер в системной памяти создает список кадров Frame List, состоящий из 1024 элементов. Каждый элемент этого списка содержит 32-битный указатель на связанный список структур данных, по которым контроллер выполняет транзакции в данном кадре. Хост-контроллер имеет регистр базового адреса списка кадров, указывающий на начало списка. Текущий номер отрабатываемого элемента определяется десятью младшими битами счетчика кадров, находящегося в контроллере и инкрементируемого каждую миллисекунду. Период счета кадров можно немного варьировать, изменяя константу, занесенную в регистр модификации длительности кадра (SOF Modify Register), что обеспечивает возможность подстройки частоты кадров для синхронизации изохронных обменов.

Элемент списка кадров может указывать либо на дескриптор изохронной передачи TD (Transfer Descriptor), либо (если в данном кадре изохронный обмен не планируется) на заголовок очереди QH (Queue Head). Если в данном кадре вообще не планируются передачи, то в элементе устанавливается признак-«заглушка» T (Terminate, конец связанного списка, в данном случае — пустого). Еще раз напомним, что здесь слово «передача» (Transfer, согласно спецификации UHCI) употребляется в узком смысле — она соответствует одной транзакции (передаче не более одного пакета данных). Элемент (32-битное слово) имеет формат, приведенный на рисунке ниже. Поле FLLP (Frame List Link Pointer) — указатель на элемент; бит T — признак последнего элемента (при T = 1 указатель FLLP недействителен). Бит Q задает класс связанного элемента, на который указывает FLLP (0 — TD, 1 — QH).

Для каждого кадра из списка устанавливается своя цепочка дескрипторов изохронных передач (возможно и пустая), последний из этой цепочки должен ссылаться на цепочку заголовков очередей. Цепочки заголовков QH могут быть общими для группы кадров или даже для всех кадров списка. Общая идея построения очередей состоит в том, чтобы создавать свою очередь для каждого установленного канала (для всех сконфигурированных точек, кроме изохронных). «Дежурный» метод обслуживания — по горизонтали, тогда после выполнения транзакции с одной точкой контроллер перейдет к другой точке (другой очереди). Связывание TD и QH через указатели позволяет формировать произвольные конфигурации переходов от одной очереди к другой и даже делать петли — в последнем случае возможно, что с одной точкой в кадре успеют пройти несколько транзакций. Однако это нетипичный способ планирования. Если очередей много (установлено много каналов), то они распределяются по кадрам (из 1024-элементного списка) так, чтобы цепочка каждого кадра обязательно прошла по горизонтали до конца. Это можно спланировать, поскольку максимальное время для отработки одного элемента каждой очереди (как и изохронных транзакций) заранее известно (оно определяется типом передачи, максимальным размером пакета и скоростью устройства, что известно системе USB). При необходимости «горизонтальную справедливость» можно нарушить, задав вертикальный порядок обслуживания, — контроллер, успешно обработав из очереди передачу с признаком V = 1, перейдет к следующему дескриптору из этой же очереди, а не к следующей очереди.

Дескрипторы передач и заголовки очередей размещаются драйвером в ОЗУ по адресам, выровненным по границе параграфа, поскольку в качестве указателей используются лишь старшие 28 бит (биты используются для служебных признаков).

Дескриптор передачи (TD) состоит из 32 байтов, из которых хост-контроллер использует только первые четыре 32-битных слова DW0-DW3. Слова DW4-DW7 зарезервированы для использования драйвером UHC (для организации «сборки мусора» — повторного использования отработанных областей). Формат дескриптора передачи приведен на рисунке ниже. Серым цветом выделены поля, модифицируемые хост-контроллером.

В слове DW0 поле Link Pointer аналогично полю FLLP, а биты T и Q аналогичны одноименным битам элемента списка кадров. Бит V — метод обслуживания TD (1 — в глубину, 0 — в ширину).

Слово DW1 используется для управления и определения состояния выполнения передачи, модифицируется хост-контроллером. Поле ActLen — действительная длина переданных данных; поле Status — состояние выполнения передачи:

длина переданных данных; поле Status — состояние выполнения передачи:

• бит 23: Active — «надо исполнять», устанавливается драйвером, сбрасывается контроллером по успешному исполнению или исчерпанию лимита повторов;
• бит 22: Stalled — точка ответила пакетом STALL;
• бит 21: Data Buffer Error — ошибка буфера данных (переполнение или переопустошение FIFO при выполнении транзакции), транзакция остается активной (при переопустрошении контроллер генерирует пакет с ошибочным CRC, при переполнении не отвечает подтверждением);
• бит 20: Babble — при выполнении данной транзакции обнаружена «болтливость» устройства (оно отключается и устанавливается бит Stalled);
• бит 19: NAK — получение соответствующего ответа (в транзакции SETUP получение NAK устанавливает и признак ошибки тайм-аута);
• бит 18: CRC/Time Out Error — обнаружена ошибка передачи (CRC или таймаут);
• бит 17: Bitstuff Error — обнаружена ошибка вставки бит.

Биты используются для управления передачей. Бит IOC заказывает прерывание по исполнению (прерывание генерируется в конце кадра, даже если транзакция уже неактивна, выборка ее дескриптора вызовет прерывание). Бит ISO — признак изохронной передачи (указание не делать повторных попыток). Бит LS — признак LS-устройства, использовать преамбулу перед передачей. Поле C_ERR — счетчик повторных попыток, декрементируемый по каждой ошибке. Переход в 1 или 0 вызывает перевод дескриптора в неактивное состояние. Если драйвер устанавливает нулевое значение, то число повторов неограниченно. Бит SPD — детектор короткого пакета: если в транзакции IN, стоящей в очереди, успешно принято меньше данных, чем ожидалось, то в конце кадра вырабатывается условие прерывания.

В слове DW2 содержится информация для выполнения транзакции: Packet ID — тип используемого маркера IN (69h), OUT (E1h) или SETUP (2Dh); Device Address— адрес устройства USB; EndPt — номер и направление конечной точки. Бит D (Data Toggle) — состояние переключателя для передаваемого или посылаемого пакета. Поле MaxLength — длина передаваемых данных (максимальная длина принимаемых), 000 — 1 байт, 001 — 2, 3FF — 1024; 7FFh — 0 (пустой пакет). Допустимые значения до 4FFh — 1280 байт, теоретический предел емкости кадра. Значения 500-7FEh недопустимы, вызывают фатальную ошибку контроллера.

В слове DW3 содержится Buffer Pointer — указатель на буфер в ОЗУ, используемый для данных этой передачи.

Заголовок очереди (QH) связывает очереди друг с другом (по горизонтали) и ссылается на первый элемент (TD) данной очереди. Хост-контроллер использует два 32-битных слова (см. следующий рисунок). В поле QHLP (Queue Head Link Pointer) содержится указатель на следующий заголовок очереди (горизонтальная связка). В поле QELP (Queue Element Link Pointer) содержится указатель на элемент очереди (вертикальная связка). Признаки последнего элемента (T) и класс связанного элемента (Q) аналогичны одноименным признакам и классам в вышеприведенных структурах.

Дескриптор заголовка очереди создается драйвером; хост-контроллер модифицирует в памяти указатель QELP: успешно отработав транзакцию, контроллер берет из DW0 ее дескриптора указатель на следующий элемент и помещает его на место QELP в заголовке очереди. Таким образом, успешно отработанный TD удаляется из очереди. Когда удаляется последний TD, в QELP устанавливается признак пустой очереди (T). В случае неисправимой ошибки при отработке какого-то дескриптора в QELP также устанавливается «заглушка» T — поток с гарантированной доставкой не позволяет пропустить какую-либо транзакцию. Поле QELP может ссылаться как на TD (тривиальный вариант планирования), так и на QH — очередь сама может содержать очереди.

Регистровая модель UHC поясняется в таблице ниже, где представлены регистры, отображенные на пространство ввода/вывода. Кроме того, как всякое устройство PCI , контроллер UHC имеет регистры в конфигурационном пространстве, в которых, в частности, задаются коды класса (0Ch — контроллер последовательной шины), подкласса (03 — USB) и программного интерфейса (00) в классификации PCI SIG.

Таблица. Регистры контроллера UHC