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:Original: Documentation/usb/ehci.rst

:翻译:

 白钶凡 Kefan Bai <baikefan@leap-io-kernel.com>

:校译:


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EHCI 驱动
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2002年12月27日

EHCI 驱动用于通过支持 USB 2.0 的主机控制器
硬件与高速 USB 2.0 设备通信。USB 2.0 兼容
USB 1.1 标准，它定义了三种传输速率：

    - “高速”（High Speed）480 Mbit/sec（60 MByte/sec）
    - “全速”（Full Speed）12 Mbit/sec（1.5 MByte/sec）
    - “低速”（Low Speed）1.5 Mbit/sec

USB 1.1 仅支持全速与低速。
高速设备可以在 USB 1.1 系统上使用，
但速度会降到 USB 1.1 的速率。

USB 1.1 设备也可以在 USB 2.0 系统上使用。当它们
插入 EHCI 控制器时，会被交由 USB 1.1 的伴随
（companion）控制器处理，该控制器通常是 OHCI 或 UHCI。

当 USB 1.1 设备插入 USB 2.0 集线器时，它们通过
集线器中的事务转换器（Transaction Translator，TT）
与 EHCI 控制器交互，该转换器将低速或全速事务转换为
高速分割事务，从而避免浪费传输带宽。

截至本文撰写时，该驱动已在以下 EHCI 实现上成功运行
（按字母顺序）：Intel、NEC、Philips 和 VIA。
其他供应商的 EHCI 实现正在陆续问世；
预计该驱动在这些实现上也可正常运行。

自 2001 年年中起，usb-storage 设备就已可用
（在 2.4 版该驱动上速度相当不错），
集线器则直到 2001 年底才开始可用，而其他类型的高速设备
似乎要等到更多系统内置 USB 2.0 后才会出现。
这类新系统从 2002 年初开始上市，
并在 2002 年下半年变得更加常见。

注意，USB 2.0 支持并不只是 EHCI 本身。
它还需要对 Linux-USB 核心 API 作出其他修改，
包括 hub 驱动；不过这些修改并不需要真正改变
暴露给 USB 设备驱动的基本 ``usbcore`` API。

- David Brownell
  <dbrownell@users.sourceforge.net>


功能
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该驱动会定期在 x86 硬件上进行测试，
也已在 PPC 硬件上使用，因此大小端问题应当已经解决。
因此可以认为，它已经处理好了所有必要的 PCI 细节，
所以即便在 DMA 映射有些特殊的系统上，
I/O 也应能正常运行。

传输类型
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截至本文撰写时，该驱动应当已经能够很好地处理
所有控制传输、批量传输和中断传输，
包括通过 USB 2.0 集线器中的事务转换器
与 USB 1.1 设备通信；但仍可能存在 bug。

高速等时（ISO）传输支持也已可用，但截至本文撰写时，
还没有 Linux 驱动使用这项支持。

目前尚不支持通过事务转换器实现全速等时传输。
需要注意，ISO 传输的 split transaction 支持
与高速 ISO 传输几乎无法共用代码，
因为 EHCI 用不同的数据结构表示它们。
因此，目前大多数 USB 音频和视频设备
还不能通过高速总线连接使用。

驱动行为
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所有类型的传输都可以排队。
这意味着来自一个接口驱动的控制传输
（或通过 usbfs 发出的控制传输）不会干扰
另一个驱动的控制传输，而且中断传输可以使用 1 帧的周期，
而不必担心中断处理开销导致的数据丢失。


EHCI 根集线器代码会将 USB 1.1 设备移交给其伴随控制器。
该驱动不需要了解那些驱动的任何细节；
一个原本就能正常工作的 OHCI 或 UHCI 驱动，
并不会因为 EHCI 驱动也存在而需要更改。

电源管理方面还有一些问题；
当前挂起/恢复的行为还不完全正确。

此外，在调度周期性事务
（中断和等时传输）时还采取了一些简化处理。
这些简化会限制可调度的周期性事务数量，
并且无法使用小于一帧的轮询间隔。

使用方式
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假设有一个 EHCI 控制器（位于 PCI 卡或主板上），
并且已将此驱动编译为模块，可这样加载::

    # modprobe ehci-hcd

卸载方式::

    # rmmod ehci-hcd

还应加载一个伴随控制器驱动，
例如 ``ohci-hcd`` 或 ``uhci-hcd``。
如果 EHCI 驱动出现任何问题，只需卸载它的模块，
随后该伴随控制器驱动就会接手
此前由 EHCI 驱动处理的所有设备
（但速度会降低）。

模块参数（传给 ``modprobe``）包括：

    log2_irq_thresh（默认值 0）：
        默认中断延迟的 log2 值，单位是微帧。默认值 0 表示 1 个微帧
        （125 微秒）。最大值 6 表示 2^6 = 64 个微帧。
        该值控制 EHCI 控制器发出中断的频率。

如果在 2.5 内核上使用此驱动，并且启用了 USB 调试支持，
则会在任一 EHCI 控制器的 ``sysfs`` 目录中看到三个文件：

    ``async``
        转储异步调度，用于控制传输和批量传输。它会显示每个活动的 ``qh``
        以及待处理的 ``qtd``，通常每个 ``urb`` 对应一个 ``qtd``。
        （可以在 ``usb-storage`` 做磁盘 I/O 时看它；顺便观察请求队列！）

    ``periodic``
        转储周期性调度，用于中断传输和等时传输。不显示 ``qtd``。

    ``registers``
        显示控制器寄存器状态。

这些文件的内容有助于定位驱动问题。


设备驱动通常不需要关心自己是否运行在 EHCI 之上，
但它们可能想检查
``usb_device->speed == USB_SPEED_HIGH``。
高速设备能做到全速（或低速）设备做不到的事，
例如高带宽的周期性传输（中断或 ISO 传输）。
另外，设备描述符中的某些值
（例如周期性传输的轮询间隔）
在高速模式下使用不同的编码方式。

不过，一定要让设备驱动经过 USB 2.0 集线器的测试。
当使用事务转换器时，这些集线器报告某些故障
（例如断开连接）的方式会不同；
已经见过一些驱动在遇到与 OHCI 或 UHCI
所报告的不同故障时表现不佳。

性能
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USB 2.0 吞吐量主要受两个因素制约：
主机控制器处理请求的速度，以及设备响应这些请求的速度。
480 Mbit/sec 的“原始传输率”对所有设备都成立，
但总吞吐量还会受到诸如单个高速包之间的延迟、
驱动是否足够聪明，以及系统整体负载等因素的影响。
延迟也是性能考量因素。

批量传输最常用于关注吞吐量的场景。
需要记住的是，批量传输总是以 512 字节包为单位，
而一个 USB 2.0 微帧中最多只能容纳 13 个这样的包。
8 个 USB 2.0 微帧构成一个 USB 1.1 帧；
一个微帧的时长是 1 毫秒 / 8 = 125 微秒。

因此，只要硬件和设备驱动软件都允许，
批量传输可提供超过 50 MByte/sec 的带宽。
周期性传输模式（等时和中断）允许使用更大的包大小，
从而可以逼近所宣称的 480 Mbit/sec 传输率。

硬件性能
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截至本文撰写时，单个 USB 2.0 设备的最大传输速率
通常约为 20 MByte/sec。
这当然会随着时间改变：一些设备现在更快，一些更慢。

第一代 NEC EHCI 实现似乎存在
大约 28 MByte/sec 的硬件瓶颈。
虽然这对单个 20 MByte/sec 的设备显然已经够用，
但把三个这样的设备挂到同一总线上，
并不能得到 60 MByte/sec。
问题似乎在于控制器硬件无法并发进行 USB 与 PCI 访问，
因此它每个微帧只会尝试 6 次（也许是 7 次）
USB 事务，而不是 13 次。
（对一个比其他产品早上市一年的芯片来说，
这是个合理的妥协！）


预计较新的实现会在这方面做得更好，
通过投入更多芯片面积来解决这个问题，
使新的主板芯片组更接近 60 MByte/sec 的目标。
这既包括 NEC 的更新实现，也包括其他厂商的芯片。


主机从 EHCI 控制器收到“请求已完成”中断的最小延迟
为一个微帧（125 微秒）。该延迟可以调节；
驱动提供了一个模块选项。默认情况下，
``ehci-hcd`` 使用最小延迟，这意味着当发出一个控制
或批量请求时，通常可以在不到 250 微秒内得知它已完成
（具体取决于传输大小）。

软件性能
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即便只是要达到 20 MByte/sec 的传输速率，
Linux-USB 设备驱动也必须让 EHCI 队列始终保持满载。
这意味着要发出较大的请求，
或者在需要发出一连串小请求时使用批量请求排队。
如果驱动未做到这一点，那么会直接从性能结果上表现出来。


在典型情况下，使用 ``usb_bulk_msg()``
以 4 KB 块循环写出，
会浪费超过一半的 USB 2.0 带宽。
I/O 完成与驱动发出下一次请求之间的延迟，
通常会比一次 I/O 本身耗时更长。
如果同样的循环改用 16 KB 块，会好一些；
若使用一连串 128 KB 块，则浪费会少得多。


但与其依赖这么大的 I/O 缓冲区来让同步 I/O 高效，
不如直接向主机控制器排入多个（批量）请求，
然后等待它们全部完成（或在出错时取消）。
这种 URB 排队方式对所有 USB 1.1
主机控制器驱动也同样适用。


在 Linux 2.5 内核中，定义了新的 ``usb_sg_*()`` API；
它们会把 scatterlist 中的所有缓冲区都排入队列。
它们还使用 scatterlist 的 DMA 映射
（其中可能应用 IOMMU）并减少中断次数，
这些都有助于让高速传输尽可能快地运行。

待办：
   中断传输和等时（ISO）传输的性能问题。
   这些周期性传输都是完全调度的，因此，主要问题可能在于如何触发高带宽模式。

待办：
   通过 ``sysfs`` 中的 ``uframe_periodic_max`` 参数，
   可以分配超过标准 80% 的周期性带宽。
   后续将对此进行说明。