USB Stack - Design der Systemschnittstelle. Franz Hirschbeck AKBP II, WS 2003/04

Transkript

1 1 1 USB Stack - Design der Systemschnittstelle

2 2 Überblick 2 Der USB-Standard allgemein Die Implementierung

3 3 Überblick Der USB-Standard allgemein 3 Ziele Topologie Pipes und Deskriptoren Transfertypen Hot Plug n Play Die Implementierung

4 4 Probleme bei alten Schnittstellen 4 2 Drucker - 1 paralleler Port Neustart erforderlich beim Anstecken Benutzer muss Übertragungsraten einstellen viele Interrupts im Hostsystem werden belegt Adapter werden benötigt

5 5 Ziele des USB 5 Einfache Bedienung hot plug n play einheitliche Stecker Stromversorgung von kleinen Geräten Unterstützung von allen üblichen Peripheriegeräten

6 6 Topologie 6 USB Controller Root-Hub Endgerät Hub Endgerät Endgerät Hub Endgerät Endgerät

7 7 Pipes und Endpoints 7 Function(USB-Gerät) hat mehrere logische Kanäle Treiber kann Daten mit Pipes an Endpoints der Geräte senden und empfangen Jede Pipe hat einen Transfertyp und eine Richtung

8 8 Deskriptoren 8 device descriptor configuration descriptor configuration descriptor endpoint descriptor endpoint descriptor Hierarchie der Descriptoren

9 9 Device-Descriptor 9 device descriptor device descriptor configuration descriptor configuration descriptor Klassen-Code Subklassen-Code FIFO Tiefe (z.b. 8) Hersteller ID Produkt ID Anzahl der Configurations... endpoint descriptor endpoint descriptor

10 10 Configuration-Descriptor 10 device descriptor configuration descriptor configuration descriptor endpoint... descriptor configuration interface descriptor descriptor Anzahl der Interface Konfigurationsattribute (bus-powered, wakeup-support...) Stromaufnahme aus dem USB Kabel endpoint descriptor Treiber kann Configuration auswählen

11 11 Interface-Descriptor 11 configuration descriptor device descriptor Interface-Klasse Interface-Subklasse Anzahl der Endpoints... configuration descriptor endpoint descriptor endpoint descriptor Treiber kann Interface auswählen

12 12 Endpoint-Descriptor 12 configuration descriptor device descriptor endpoint descriptor Endpoint Adresse und Typ (z.b. EP1 IN) Transferart FIFO Tiefe configuration descriptor... endpoint descriptor endpoint descriptor Treiber kann aus Endpointdescriptoren Kommunikationsparameter auslesen

13 13 Transfertypen 13 übertragen wird in 1-ms Frames Single-Master-Bus: Host ist Master, Functions passiv mehrere Transfers unterschiedlichen Typs während eines Frames verschiedene Zwecke benötigen verschiedene Transfertypen Lautsprecher, Maus, Scanner, HD

14 14 Control-Transfer 14 schickt Request zum Steuern des Geräts spezifiziert in USB- oder Gerätespezifikation abhängig vom Request werden Daten nachgeschickt auch holen von Daten z.b. Descriptoren möglich spezielle Richtung Setup

15 15 Interrupt-Transfer 15 in regelmässigem Abstand ein Transferversuch Abfrage von Neuigkeiten Mausbewegung, Tastatur, Hub einzige Möglichkeit zum Nutzdatenaustausch bei LowSpeed kann natürlich auch senden

16 16 Isochronous-Transfer 16 garantierte Übertragungsrate wird beim Einrichten bereits reserviert Fehlerkontrolle nicht möglich für Functions mit konstanter Rate Lautsprecher, webcam, headsets

17 17 Bulk-Transfer 17 zum Auffüllen von Frames benutzt alle Daten die nicht dringend sind Drucker, Scanner, Speicher-Sticks effizient

18 18 Hot Plug n Play 18 ein Hub meldet Veränderungen an Ports über Interruptpipe der USB-Treiber enumeriert neue Geräte passender Treiber wird geladen bei Abstecken wird der Treiber informiert Gerät muss kein hot plug n play unterstützen

19 19 Überblick Der USB-Standard allgemein Die Implementierung 19 Aufbau Die Schnittstelle für den Treiber Das Interface zum Controllertreiber Ausstehende Entwicklungen

20 20 Implementierung 20 Zwei wesentliche Aufgabe Verwaltung der Geräte Anbieten einer Schnittstelle für Gerätetreiber unabhänigig von Controllertreiber UHCI, OHCI

21 21 Klassenaufbau 21 USBDeviceManager USBDevice USBDeviceManagerImpl Gerätetreiber USBControlTransfer USBQueueManager USBTransfer Controllerabhängige Implementierung

22 22 USBDeviceManager 22 USBDeviceManager +registerusbdriver(device:usbdevice,vendorid:int,productid:int) +registerdevice(devdesc:devicedescriptor,queuemanager:usbqueuemanager,uhciname:string,lowspeed:boolean) USBDeviceManagerImpl +registeredunloadeddrivers: Hashtable +loadeddrivers: Hashtable +unknowndevices: Hashtable +useddeviceaddresses: Integer[] + +getfreeaddress()

23 23 Treiberschnittstelle 1 USBDeviceManager Kernstück des USB-Treiber 23 enumeriert Geräte verwaltet Geräte und Treiber bei bekannten Geräten wird der Treiber geladen

24 24 USBDevice 24 #devdesc: DeviceDescriptor #lowspeed: boolean #vendorid: int #productid: int #usbdevicemanager: USBDevicemanager #deviceaddress: int USBDevice +USBDevice(lowSpeed:boolean,vendorID:int,productID:int) +load(devdesc:devicedescriptor,deviceaddress:int,queuemanager:usbqueuemanager) -fetch_configuration() #deviceinit() USBLegoTowerInterface #deviceinit() USBDevice als Basisklasse von USB-Treibern

25 25 USBQueueManager 25 USBQueueManager +controltransfer(transfer:usbcontroltransfer) +interrupttransfer(transfer:usbtransfer) +isochronoustransfer(transfer:usbtransfer) +bulktransfer(transfer:usbtransfer) Controllerabhängige Implementierung

26 26 Treiberschnittstelle 2 Beim Laden des Treibers bekommt dieser Adresse, Devicedescriptor und Queuemanager übergeben USBQueueManager wird von Treiber benutzt um Transfers vorzunehmen 1. erstellt Memory, bei OUT Transfers auch befüllt 2. erstellt USBTransfer Objekt deviceaddress, endpoint, fifosize, mem 3. ruft den QueueManager auf um den Transfer vorzunehmen 26

27 27 Controllerinterface USBQueueManager deklariert die Übertragungsaufrufe diese muss der Controllertreiber definieren Controlltreibers instanziert den USB-Stack, sowie alle Endgerätertreiber 27

28 28 Ausstehende Entwicklungen mehrmaliges Laden desselben Treibers Treiberzugriff auf zugeordnete Function beschränken USB - Requests in USBDevice definieren blockieren und erfolgsmeldung beim Queuemanageraufruf geeignete Konzepte für Isochronous- und Interrupt- Transfer 28

29 29 Quellen und weiterführende Informationen Literatur [1] Dipl.-Ing. Hans Joachim Kelm. USB 1.1, Universal Serial Bus. Franzis Verlag, 2000, Poing. [2] Die USB 1.1 Spezifikation: veröffentlicht von Compaq Computer Corporation, Intel Corporation, Microsoft Corporation, NEW Corporation am

30 30 [3] Die USB-Stack Implementierung für jx im Rahmen des AKBP II 30