Последняя часть инфраструктуры USB — хабы. Хотя хабы — отдельные USB-устройства, они достаточно тесно связаны с другими частями инфраструктуры, чтобы спецификация хабов была частью основной спецификации USB, а код поддержки — частью ядра, расположенной в файле bus/usb/hub.inc.

Задачи хабов таковы.

• Хабы предоставляют питание всем подключённым устройствам.
• Хабы оповещают хост о подключении и отключении устройств.
• Хабы делают сброс подключённого устройства, попутно определяя его скорость, по команде с хоста.
• Хабы транслируют весь трафик, приходящий от хоста, подключённым устройствам в период после сброса и до отключения, а также трафик от устройств в обратную сторону.
• HighSpeed-хабы содержат Transaction Translator, связывающий HighSpeed-шину с низкоскоростной USB1-шиной.

Трансляция трафика без переключения скорости происходит полностью прозрачно для хоста. Расщеплёнными транзакциями занимается хост-контроллер EHCI, здесь от софта важно только заполнить те поля в аппаратной части структуры канала, которые содержат адрес TT-хаба и порт в TT-хабе — и, разумеется, учитывать время транзакций при планировании. Драйвер хабов управляет остальными пунктами списка задач.


Хабы имеют код класса устройства 9, код подкласса устройства 0 и три варианта 0, 1, 2 для кода протокола. Согласно спецификации USB, HighSpeed-хаб обязан поддерживать режим работы с единым TT для всех своих портов, и дополнительно может, но не обязан, поддерживать режим работы с отдельным TT для каждого порта. Типичный случай — режим с различными TT отсутствует, тогда код протокола равен 0. В случае поддержки такого режима в данных конфигурации должны быть два варианта дескриптора интерфейса с одинаковым номером интерфейса. Тогда код протокола 1 идентифицирует режим с единым TT, который должен быть принят по умолчанию, а код протокола 2 — режим с различными TT, включаемый командой SET_INTERFACE. Существование в живой природе хабов, поддерживающих режим с различными TT, не подтверждено, как и польза от этого режима, поэтому драйвер хабов даже не пытается его обнаружить и включить и просто использует режим единого TT, включённый по умолчанию.

Обнаружив интерфейс класса 9, уровень логического устройства читает структуру usb_hub_callbacks, содержащую указатели на функции драйвера usb_hub_init и usb_hub_disconnect. Работа драйвера начинается, когда уровень логического устройства вызывает usb_hub_init, и заканчивается, когда уровень поддержки каналов вызывает usb_hub_disconnect в ответ на отключение устройства.

Обработка подключения устройства, начатая на уровне поддержки хост-контроллеров, остановилась, подготовив нулевую конечную точку устройства к работе. Уровень поддержки каналов предоставил методы работы с каналами. Самое время их применить для продолжения инициализации устройства: включается функция usb_new_device из bus/usb/protocol.inc.

Сейчас устройство мало что может: оно ещё не получило адрес на шине, ещё не сконфигурировано, может использовать только 100 мА питания от шины. В общем-то, всё, что устройство может, — это рассказать о себе в ответ на подходящие вопросы. Рассказ устройства о себе организован в виде дескрипторов. Подходящим вопросом считается команда GET_DESCRIPTOR, отправленная нулевой конечной точке; в команде должны быть указаны тип дескриптора, порядковый номер дескриптора среди всех с таким типом, длина данных для передачи. Каждая команда к управляющей конечной точке занимает 8 байт и может иметь или не иметь дополнительных данных, в некоторых командах некоторые поля не используются. Структура команд по байтам и используемые поля расписаны в главе 9 спецификации USB, здесь я буду только описывать входные и выходные данные для команд.

Уровень логического устройства имеет две задачи: во-первых, сконфигурировать устройство; во-вторых, расспросить его, загрузить соответствующий драйвер — или даже драйверы — и сообщить драйверу о новом устройстве.

Рассказ об уровне взаимодействия с хост-контроллерами растянулся на две статьи и всё равно оставил за кадром некоторые детали — которые, как я надеюсь, заинтересованный читатель может восполнить непосредственно из исходников. Уровень поддержки каналов куда проще и в основном занят тем, что преобразует вызовы API для вышележащих уровней в нужную последовательность действий, включая блокировки, с нужным хост-контроллером.

Открытие канала

Функция USBOpenPipe из API, названная usb_open_pipe в коде pipe.inc, открывает новый канал по указанным характеристикам канала и «родительскому» каналу, где записаны характеристики устройства. Для этого она:

• выделяет пару структур *hci_pipe+usb_pipe, описывающих канал и выравненных на контроллеро-специфичную границу, вызовом контроллеро-специфичной функции usb_hardware_func.AllocPipe;
• выделяет пару структур *hci_gtd+usb_gtd, описывающих пустой дескриптор передачи и выравненных на контроллеро-специфичную границу, вызовом контроллеро-специфичной функции usb_hardware_func.AllocTD;
• заполняет указатели: в структуре канала копирует указатель на структуру контроллера и указатель на данные устройства, общие для всех каналов, из «родительского» канала; между структурой канала и структурой пустого дескриптора заполняет указатели туда-обратно; структуру пустого дескриптора делает единственным элементом двусвязного списка каналов;
• инициализирует мьютекс, который будет охранять все операции с этим каналом. Хотя вся обработка событий от USB-контроллеров происходит в потоке USB, про обращения к API нельзя сказать того же: чтение приложением файла с USB-флешки инициирует постановку передачи — и даже не одной — в очередь в контексте потока приложения. Чтобы новая передача не мешала USB-потоку обрабатывать завершение старой передачи, и нужен этот мьютекс;
• захватывает мьютекс набора каналов устройства и убеждается, что устройство ещё не отключено;
• вызывает контроллеро-специфичную инициализацию usb_hardware_func.InitPipe, охраняемую мьютексом, глобальным для контроллера;
• добавляет новый канал в набор каналов устройства и отпускает мьютекс набора каналов;
• при ошибке на одном из этапов откатывает все предыдущие этапы. Поскольку откатить контроллеро-специфичную инициализацию сложнее всего, она сделана на последнем этапе, после которого ошибок быть не может.

Контроллеро-специфичная инициализация последним действием добавляет новый канал в соответствующий список. Для управляющих каналов, равно как и для каналов массивов данных, есть всего один список, а вот для каналов прерываний нужно ещё выбрать один из нескольких вариантов.

Здесь в игру вступает планировщик scheduler.inc. Он как раз и выбирает один из списков каналов прерываний, а также убеждается, что для нового канала «достаточно места». Я напомню, что в каждом фрейме FullSpeed-шины под периодические передачи нельзя использовать более 90% времени, а в каждом микрофрейме HighSpeed-шины — более 80% времени.

Здесь я должна отметить, что если вы зачем-то пишете реализацию USB, которая должна работать в ваших условиях, на планировщике можно серьёзно сэкономить. Вам придётся в том или ином виде реализовать всё остальное, что описано в этой серии статей, но при отсутствии большой нагрузки можно вместо полного дерева обойтись всего одним списком каналов прерываний, обрабатываемым каждый фрейм/микрофрейм. Чуть более экономная схема, не слишком усложняющая реализацию, — один список каналов для каждого интервала обработки 1, 2, 4, 8, 16, 32 фреймов. Пока не нужно одновременно обрабатывать более одного устройства с большим трафиком на один хост-контроллер, такой подход ничем не уступает полноценному планировщику. Простая схема «сломается» в некоторых специфичных конфигурациях с двумя или более изохронными каналами FullSpeed-устройств или тремя или более изохронными каналами HighSpeed-устройств, но, быть может, никто и не будет запускать вашу реализацию в столь специфичных условиях?

Если же вы пишете реализацию USB, которая должна работать везде и всегда, планировщик вам тоже придётся написать.

Уровень поддержки хост-контроллеров, как я писала в общем обзоре, должен вызывать вышележащие уровни при наступлении некоторых событий и предоставлять функции, необходимые вышележащим уровням для работы.
Для удобства восприятия я буду рассказывать о различных элементах кода поддержки в том порядке, в котором они получают управление.

Запуск подсистемы USB

Подготовка: USB-контроллеры в списке PCI-устройств

Подсистема USB запускается вызовом usb_init из init.inc в ходе загрузки системы.

К моменту запуска USB уже подготовлен список найденных PCI-устройств pcidev_list. USB-контроллеры опознаются среди всех PCI-устройств по коду класса, подкласса и интерфейса:

Тип	Класс	Подкласс	Интерфейс
UHCI	0Ch	03h	00h
OHCI	0Ch	03h	10h
EHCI	0Ch	03h	20h
XHCI	0Ch	03h	30h

usb_init проходит по списку PCI-устройств несколько раз, каждый раз выделяя USB-контроллеры.

Отключение контроля BIOS

Некоторые BIOS умеют обрабатывать USB-мыши, USB-клавиатуры и USB-флешки, предоставляя данные для операционных систем, не знающих про USB. Данные от мышей и клавиатур преобразуются в формат PS/2 и тем или иным способом доводятся до операционной системы так же, как если бы в системе существовала настоящая PS/2-мышь и/или клавиатура. USB-флешка представляется жёстким диском с точки зрения int 13h — такая поддержка встречается куда чаще поддержки мышей, ибо необходима для загрузки с флешек.
Операционная система может использовать любой режим процессора и самостоятельно обрабатывать любые прерывания. Чтобы BIOS в таких условиях всё же могла получать управление с предсказуемым окружением, ещё в районе 486-х (начиная со специальной версии i386SL, если точно) Intel придумала специальный режим процессора System Management Mode (SMM), в котором и работает BIOS, прерывая операционную систему. В SMM невозможно попасть средствами самого процессора; процессор попадает в этот режим, когда железо материнской платы подаёт специальный сигнал System Management Interrupt (SMI). USB-контроллеры, встроенные в чипсет, как правило, могут генерировать SMI вместо прерывания в зависимости от настроек.

Прежде, чем объяснять код поддержки хост-контроллеров, необходимо рассказать о некоторых принципах работы железа, а также об используемых структурах данных. Как я выяснила при написании текста, одна статья обо всём уровне поддержки хост-контроллеров получилась бы слишком большой, поэтому вторая часть цикла — которую вы сейчас читаете — рассказывает о том, что необходимо знать для понимания кода, а описание действий, происходящие в коде, я отложу до следующей части.

Прерывания и потоки

Хост-контроллеры оповещают софт о происходящих событиях, генерируя прерывания. Прерывание может прийти и оторвать процессор от текущей задачи в любой момент времени; это накладывает жёсткие требования на обработчик прерывания. Обработчик прерывания не может захватывать никакие блокировки — ведь вполне возможно, что прерванный код как раз завладел блокировкой и уже не сможет её освободить. Единственным исключением является вариант спинлока, запрещающий прерывания на время блокировки, но из-за глобальности эффекта спинлок стоит применять пореже и для очень коротких участков кода. На однопроцессорных конфигурациях такой вариант вырождается в пару cli/sti без собственно спинлока, на многопроцессорных внутри cli/sti остаётся обычный спинлок. Кроме того, контроллер прерываний во время обработки одного прерывания блокирует остальные с тем же или более низким приоритетом.

По этим двум причинам в KolibriOS обработчики прерываний от хост-контроллеров USB передают основную часть работы в выделенный под USB поток ядра, а сами ограничиваются сообщением хост-контроллеру «спасибо, сигнал принят». Сам USB-поток имеет наивысший приоритет, чтобы задумавшиеся пользовательские приложения не мешали обработке. Все функции вышележащих уровней, которые вызываются из уровня поддержки хост-контроллера, работают в контексте потока USB и, как следствие, вполне могут использовать примитивы синхронизации. Приятным побочным эффектом является автоматическая сериализация вызовов: ни обработчик завершения второй передачи из очереди канала, ни функция DeviceDisconnected не будут вызваны, пока не закончит работу обработчик завершения первой передачи из очереди канала, что есть логичное требование к API.

Поток USB также иногда просыпается для обработки событий, отложенных по времени. Пример, о котором я позже расскажу подробнее: после события подключения устройства нужно выждать 100 миллисекунд перед дальнейшей обработкой. В этом случае поток проснётся при обнаружении подключения устройства и запланирует следующее пробуждение через 100 миллисекунд, уже не связанное с пробуждением из-за прерывания.

Архитектура USB содержит несколько уровней. На самом низком уровне специально обученное железо, называемое хост-контроллером (host controller), общается с USB-устройством специальными сигналами. Сигналы кодируют биты, биты складываются в пакеты, пакеты образуют транзакции, транзакции составляют передачи (transfers).

Я рассказываю о программной поддержке USB, поэтому уровни ниже передач почти неинтересны: за них отвечает хост-контроллер. Зато важно, какой интерфейс представляет хост-контроллер софту. Сейчас распространены три интерфейса, и постепенно распространяется четвёртый:

Аббр.	Название интерфейса	Версия	Код поддержки контроллера в KolibriOS
UHCI	Universal Host Controller Interface	USB 1.1	kernel/trunk/bus/usb/uhci.inc
OHCI	Open Host Controller Interface	USB 1.1	kernel/trunk/bus/usb/ohci.inc
EHCI	Enhanced Host Controller Interface	USB 2.0	kernel/trunk/bus/usb/ehci.inc
XHCI	eXtensible Host Controller Interface (новый)	USB 3.0	В KolibriOS ещё не поддерживается

На этом же уровне взаимодействия с контроллерами находятся файлы kernel/trunk/bus/usb/hccommon.inc, где реализованы некоторые функции, общие для всех контроллеров, и kernel/trunk/bus/usb/init.inc, который запускает всю подсистему. Впрочем, не торопитесь пока лезть в код — во-первых, я ещё не рассказала про то, чего же ожидают от него более высокие уровни, а во-вторых, после демонстрации общей схемы я вернусь к отдельным компонентам с подробностями.