Рубрика «usb» - 15

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.
Читать полностью »

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:

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.

Читать полностью »

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.
Читать полностью »