OHCI USB 主機控制器深度解析：端點描述符 (ED) 與傳輸排程機制

OHCI (Open Host Controller Interface) 定義了 USB 主機控制器的暫存器介面與資料結構，是理解 USB 底層傳輸的關鍵。本文聚焦核心資料結構——端點描述符 (Endpoint Descriptor, ED) 及其在四大傳輸類型中的排程邏輯。

OHCI 核心資料結構總覽

端點描述符 (ED) 結構詳解

typedef struct _OHCI_ED {
    uint32_t  Control;        // 端點屬性控制位
    uint32_t  TailP;          // TD 鏈表尾指標 (硬體更新)
    uint32_t  HeadP;          // TD 鏈表頭指標 (軟體設定)
    uint32_t  NextED;         // 下一個 ED 指標 (形成 ED 列表)
} OHCI_ED;

Control 欄位關鍵位定義

• Function Address (bits 0-6)：USB 裝置位址
• Endpoint Number (bits 7-10)：端點編號 (0-15)
• Direction (bits 11-12)：00=OUT, 01=IN, 10=TD 設定
• Speed (bit 13)：0=Full-speed, 1=Low-speed
• Skip (bit 14)：1=HC 跳過此 ED
• Format (bit 15)：0=一般 ED, 1=Isochronous ED
• MaxPacketSize (bits 16-26)：最大封包長度 (位元組)

四大傳輸類型與 ED 列表架構

OHCI 維護四條獨立的 ED 列表，透過 HcControl 與 HcCommandStatus 暫存器控制：

幀內排程時間切片

每個 USB 幀 (1ms) 依 HcPeriodicStart 設定劃分：

┌───────────────────────────────────── 1 ms Frame ─────────────────────────────────────┐
│                                                                                      │
│  [Bulk/Control 處理區] ← HcPeriodicStart (預設 90% 幀時間)                           │
│       │                                                                              │
│       ▼                                                                              │
│  [Periodic/Interrupt 處理區] ← 保證頻寬，硬體強制執行                                │
│       │                                                                              │
│       ▼                                                                              │
│  [剩餘時間繼續 Bulk/Control] ← 若 Periodic 提前結束                                 │
│                                                                                      │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

控制/批量服務比例 (ControlBulkServiceRatio)

• 定義於 HcControl bits 16-17，可設 1:1 ~ 4:1
• HC **強制** 依此比例服務 Control vs Bulk ED，**無視列表實際 ED 數量**
• 例：比例 4:1、僅 1 個 Control ED → 該 ED 連續被服務 4 次才輪到 Bulk
• 空列表會被跳過，但 HC 會按比例持續檢查，新增 ED 即納入排程

TD 處理流程與 Done Queue

1. HC 從 ED.HeadP 取得首個 TD
2. 依 ED 端點屬性 (速度、方向、最大封包) 執行 USB 傳輸
3. 傳輸完成更新 TD 狀態碼、實際傳輸長度、切換 Data Toggle
4. 若 TD 完成或出錯，從 ED 鏈表移除，掛入 **Done Queue** (HcDoneHead)
5. 觸發 HcInterruptStatus.WDH 中斷，HCD 處理 Done Queue 回調上層

關鍵差異：Control/Bulk vs Interrupt/Isochronous

理解 ED 與排程機制，是編寫/除錯 OHCI 主機控制器驅動程式 (HCD) 的基石，也是分析 USB 總線效能瓶頸的關鍵。