嵌入式Ｌｉｎｕｘ平臺上ＵＳＢ傳輸帶寬沖突的研究

摘要:通過介紹USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)以及USB攝像頭的工作原理，研究和分析了實(shí)際系統(tǒng)中USB攝像頭和USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突所造成的花屏#65380;死機(jī)的問題和原因#65377;從減小沖突的影響和降低傳輸帶寬需求這兩個(gè)方面出發(fā)，提出并實(shí)現(xiàn)了三種解決USB傳輸帶寬沖突問題的方法#65377;實(shí)驗(yàn)證明，綜合使用這三種方法就能夠有效地解決帶寬沖突帶來的花屏#65380;死機(jī)問題，使USB攝像頭和USB鼠標(biāo)在復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境中能夠正常地協(xié)同工作#65377;

關(guān)鍵詞:通用串行總線; 帶寬沖突; Linux

中圖分類號:TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0279-03

0引言

USB是一種簡單的計(jì)算機(jī)外圍接口標(biāo)準(zhǔn)，具有簡單靈活#65380;易于擴(kuò)展和熱插拔等優(yōu)點(diǎn)#65377;其目前已成為數(shù)碼設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，小到MP3#65380;鼠標(biāo)#65380;攝像頭，大到數(shù)碼相機(jī)#65380;打印機(jī)，USB接口的身影無處不在#65377;在筆者一項(xiàng)基于S3C2410芯片(ARM920T內(nèi)核)的開發(fā)中，要求同時(shí)提供對USB攝像頭和USB鼠標(biāo)的支持#65377;在實(shí)際工作中，由于USB攝像頭和USB鼠標(biāo)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突，引起整個(gè)系統(tǒng)性能下降甚至崩潰#65377;

1USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)USB系統(tǒng)包含了三類硬件設(shè)備，即USB主機(jī)(USB host)#65380;USB設(shè)備(USB device)和USB集線器(USB hub)#65377;由于各個(gè)USB設(shè)備按照樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接到USB主機(jī)端，并且USB接口的工作方式屬于主—從式，USB主機(jī)必須具有對所有連接在USB總線上不同類型的USB設(shè)備進(jìn)行管理的功能#65377;如圖1所示，Linux USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)由三部分組成，即USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)#65380;USB驅(qū)動(dòng)(USBD)和不同類型的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)[1]#65377;

1.1USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)

HCD是USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中直接與硬件交互的軟件模塊#65377;其主要功能有:主機(jī)控制器初始化;為USB驅(qū)動(dòng)(USBD)層提供相應(yīng)的接口函數(shù);提供根hub的設(shè)備配置#65380;控制功能; USB四種類型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?65377;

1.2USB驅(qū)動(dòng)(USBD)

USBD是整個(gè)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心，負(fù)責(zé)控制全部USB協(xié)議的操作和中斷處理控制#65377;其主要功能有:USB總線管理;USB設(shè)備的配置#65380;控制功能; USB hub驅(qū)動(dòng);完成USB的四種類型數(shù)據(jù)傳輸;為USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)提供相關(guān)接口;為USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)提供相關(guān)接口等#65377;

1.3USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)

USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)是最終與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，不同類型的設(shè)備通常對應(yīng)于不同的設(shè)備類驅(qū)動(dòng)#65377;其主要功能有:配置和初始化特定的USB設(shè)備#65380;為應(yīng)用程序提供訪問接口等#65377;

1.4USB數(shù)據(jù)傳輸

USB定義了四種數(shù)據(jù)傳輸類型，即控制傳輸#65380;同步傳輸#65380;中斷傳輸和批傳輸#65377;USB攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸類型為同步傳輸，而USB鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸類型屬于中斷傳輸，同步數(shù)據(jù)傳輸和中斷數(shù)據(jù)傳輸又可以統(tǒng)稱為周期性數(shù)據(jù)傳輸#65377;

不管哪種傳輸類型，如圖1所示，應(yīng)用程序均是通過利用USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)提供的訪問接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸#65377;在USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部，數(shù)據(jù)傳輸均是通過統(tǒng)一的USB數(shù)據(jù)傳輸塊URB(universal request block)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成的，其包含了一次USB數(shù)據(jù)傳輸所必需的所有信息#65377;URB最終會提交到HCD層，由HCD層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ腢SB設(shè)備硬件上[2]#65377;

2USB攝像頭工作原理

a)當(dāng)USB攝像頭連接到系統(tǒng)時(shí)，USBD會調(diào)用USB攝像頭驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的spca5xx_probe()函數(shù)，檢測連接的硬件設(shè)備是否與驅(qū)動(dòng)程序匹配#65377;若匹配，則對驅(qū)動(dòng)程序需要的軟件狀態(tài)進(jìn)行初始化#65377;

b)當(dāng)應(yīng)用程序需要攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，首先會利用設(shè)備文件路徑/dev/video0調(diào)用系統(tǒng)接口函數(shù)open()來打開設(shè)備，操作系統(tǒng)最終會將這一調(diào)用映射到由驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的spca5xx_open()函數(shù)上#65377;

c)spca5xx_open()函數(shù)首先會進(jìn)行一系列的初始化工作，然后調(diào)用spca50x_init_isoc()函數(shù)#65377;此函數(shù)負(fù)責(zé)完成攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?65377;其主要工作是構(gòu)造傳輸所需的URB結(jié)構(gòu)和設(shè)置預(yù)留USB帶寬的大小#65377;

d)spca50x_init_isoc()函數(shù)成功返回后，攝像頭就一直在采集數(shù)據(jù)了#65377;當(dāng)URB完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)底層的接口函數(shù)sohci_return_urb()會被操作系統(tǒng)調(diào)用#65377;其首先會調(diào)用URB的回調(diào)函數(shù)spca50x_isoc_irq，將URB中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到spca50x_frame結(jié)構(gòu)的緩存中，然后將URB循環(huán)中的下一個(gè)URB發(fā)送出去#65377;

e)當(dāng)用戶進(jìn)程需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)接口函數(shù)read()#65377;它會映射到由驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的spca5xx_read()函數(shù)#65377;此函數(shù)會等到spca50x_frame結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)frame buffer填滿數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間#65377;

3USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突

在USB攝像頭單獨(dú)連接到系統(tǒng)#65380;USB鼠標(biāo)單獨(dú)連接到系統(tǒng)和USB攝像頭與USB鼠標(biāo)均連接到系統(tǒng)但不移動(dòng)鼠標(biāo)這三種情況下，系統(tǒng)和各個(gè)設(shè)備均能夠正常工作#65377;但如果USB攝像頭和USB鼠標(biāo)均連接到系統(tǒng)上，在攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)移動(dòng)或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)，則明顯能夠感覺到系統(tǒng)的性能下降，并且系統(tǒng)不停地輸出“USB schedule overrun!!”這一出錯(cuò)信息，進(jìn)而引起花屏#65380;系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象出現(xiàn)#65377;

為了找到USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸沖突的原因，筆者對USB攝像頭與USB鼠標(biāo)均連接到系統(tǒng)但不移動(dòng)鼠標(biāo)和USB攝像頭與USB鼠標(biāo)均連接到系統(tǒng)并移動(dòng)鼠標(biāo)這兩種情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)#65377;讓應(yīng)用程序取十幀圖像數(shù)據(jù)，調(diào)用十次read系統(tǒng)調(diào)用，分別記錄這兩種情況下，攝像頭驅(qū)動(dòng)完成這十次read系統(tǒng)調(diào)用所需的總的URB個(gè)數(shù)和總時(shí)間，然后計(jì)算出攝像頭驅(qū)動(dòng)完成一次read系統(tǒng)調(diào)用平均所需的URB個(gè)數(shù)和時(shí)間#65377;實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示#65377;

從表1中可以看出，USB攝像頭和USB鼠標(biāo)同時(shí)工作的情況下，完成一次read系統(tǒng)調(diào)用，取回同樣大小的數(shù)據(jù)，需要的URB個(gè)數(shù)和占用的CPU時(shí)間是USB攝像頭單獨(dú)工作時(shí)的三倍#65377;由于每個(gè)URB完成后均要拷貝數(shù)據(jù)和重發(fā)URB，系統(tǒng)在USB攝像頭和USB鼠標(biāo)同時(shí)工作的情況下的工作量也是USB攝像頭單獨(dú)工作時(shí)的三倍，大大加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)#65377;

4USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突問題

4.1USB攝像頭與USB鼠標(biāo)沖突的原因分析

USB schedule有兩層含義#65377;一層指的是USB設(shè)備與USB主機(jī)交互的一種工作方式#65377;USB提供了一種可共享的相互連接，通過USB總線與USB主機(jī)相連的各個(gè)USB設(shè)備均可以利用這種可共享的相互連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸#65377;為了支持同步數(shù)據(jù)傳輸和消除仲裁，對這種可共享的相互連接的占用應(yīng)該提前預(yù)定[3]#65377;另一層指的是幀時(shí)間分配表#65377;主機(jī)控制器負(fù)責(zé)將USB時(shí)間劃分為以1 ms為單位的幀，一幀內(nèi)要完成的傳輸工作由USB schedule指定#65377;它是由主機(jī)控制器維護(hù)的常駐內(nèi)存表，由一系列描述單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)的TD(transfer descriptor)隊(duì)列組成[4]#65377;

本系統(tǒng)采用的S3C2410芯片的USB主機(jī)控制器符合OHCI規(guī)范#65377;OHCI定義了一個(gè)名為主機(jī)控制器通信域(host controller communications area)的通信通道#65377;在HCCA中定義了四個(gè)鏈表，即周期性數(shù)據(jù)鏈表#65380;控制傳輸數(shù)據(jù)鏈表#65380;批量傳輸數(shù)據(jù)鏈表和完成數(shù)據(jù)鏈表#65377;主機(jī)控制器根據(jù)這四個(gè)鏈表來完成數(shù)據(jù)傳輸#65377;正常情況下， USB帶寬預(yù)留安排如圖2所示#65377;

首先主機(jī)控制器會發(fā)送幀開始(startofframe)標(biāo)志包，標(biāo)志一幀的開始#65377;若有需要，主機(jī)控制器會先進(jìn)行一些非周期性傳輸，然后進(jìn)行必須處理的周期性傳輸#65377;在周期性傳輸工作結(jié)束后，若還有剩余時(shí)間，主機(jī)控制器還會進(jìn)行一些非周期性傳輸直到這一幀結(jié)束[5]#65377;如果在一幀內(nèi)安排了過多的周期性工作，會引起USB帶寬安排問題，如圖3所示#65377;

主機(jī)控制器無法在一幀結(jié)束前完成預(yù)定的周期性傳輸工作，會發(fā)生超時(shí)干擾錯(cuò)誤(babble)，一個(gè)調(diào)度溢出(schedule overrun)中斷就會產(chǎn)生[6]#65377;為了不破壞下一幀的開頭，與設(shè)備相連的端口會自動(dòng)關(guān)閉，并且數(shù)據(jù)接收方不會接收此次傳輸事務(wù)的數(shù)據(jù)[3]#65377;

綜上所述，當(dāng)USB攝像頭和USB鼠標(biāo)同時(shí)工作時(shí)，要求的USB傳輸帶寬超過了一幀所能提供給周期性傳輸工作的最大帶寬，引發(fā)了超時(shí)干擾錯(cuò)誤#65377;由于帶寬沖突頻繁發(fā)生，攝像頭驅(qū)動(dòng)提交的URB無法帶回期望的數(shù)據(jù)#65377;要得到相同大小的數(shù)據(jù)，如表1所示，需要攝像頭驅(qū)動(dòng)提交更多的URB，系統(tǒng)處理URB和拷貝數(shù)據(jù)的次數(shù)也隨之增加，加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，再加上要處理超時(shí)干擾錯(cuò)誤，造成系統(tǒng)性能下降，進(jìn)而造成花屏和系統(tǒng)崩潰#65377;

4.2USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突的解決辦法

針對USB攝像頭與USB鼠標(biāo)傳輸沖突的原因，可以從減小沖突的影響和降低傳輸帶寬要求這兩個(gè)方面出發(fā)著手解決USB攝像頭與USB鼠標(biāo)的傳輸沖突問題#65377;通過降低沖突發(fā)生的頻率和增加URB的數(shù)據(jù)攜帶量可以緩解沖突帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，避免花屏#65380;死機(jī)現(xiàn)象，而降低帶寬要求能夠從根本上解決傳輸帶寬沖突問題#65377;

4.2.1降低沖突發(fā)生的頻率

USB攝像頭的同步數(shù)據(jù)TD和USB鼠標(biāo)的中斷數(shù)據(jù)TD都保存在HCCA的周期性數(shù)據(jù)鏈表中#65377;在OHCI的定義中，此周期性數(shù)據(jù)鏈表實(shí)際上是由32個(gè)中斷數(shù)據(jù)鏈表實(shí)現(xiàn)的#65377;在每毫秒的USB數(shù)據(jù)傳輸中，主機(jī)控制器會依次循環(huán)發(fā)送其中一個(gè)中斷數(shù)據(jù)鏈表上的所有TD#65377;如圖4所示，這32個(gè)中斷數(shù)據(jù)鏈表組成了一個(gè)平衡二叉樹結(jié)構(gòu)，通過將相關(guān)的TD鏈接到此二叉樹的中間節(jié)點(diǎn)或者葉子節(jié)點(diǎn)上，可以實(shí)現(xiàn)1#65380;2#65380;4#65380;8#65380;16以及32 ms六種不同時(shí)間間隔的周期性數(shù)據(jù)傳輸#65377;

USB攝像頭和USB鼠標(biāo)默認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸間隔均為1 ms，即在每個(gè)幀時(shí)內(nèi)均有數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)，造成了沖突頻繁發(fā)生#65377;通過調(diào)整中斷傳輸和同步傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，錯(cuò)開USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間點(diǎn)，能夠降低USB攝像頭與USB鼠標(biāo)沖突發(fā)生的頻率，減輕沖突帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)#65377;

為了調(diào)整中斷傳輸和同步傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，需要修改內(nèi)核源碼包中driver/usb/usbohci.c文件中的ep_link()函數(shù)#65377;此函數(shù)負(fù)責(zé)指定中斷傳輸和同步傳輸?shù)膫鬏敃r(shí)間間隔，并將其賦給ed->interval變量#65377;修改此變量即可重新指定中斷傳輸和同步傳輸?shù)膫鬏敃r(shí)間間隔，重新指定傳輸時(shí)間間隔后還需要重新編譯內(nèi)核，生成新的內(nèi)核鏡像#65377;調(diào)整了傳輸時(shí)間間隔后，再次進(jìn)行了與第3章相同的實(shí)驗(yàn)#65377;由于避免攝像頭緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)被新采集的圖像數(shù)據(jù)覆蓋，攝像頭采集的數(shù)據(jù)應(yīng)迅速傳輸?shù)経SB主機(jī)#65377;實(shí)驗(yàn)時(shí)只調(diào)整了中斷傳輸?shù)臅r(shí)間間隔#65377;實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示#65377;

從表2可以看出，隨著中斷傳輸間隔的不斷加大，USB攝像頭和USB鼠標(biāo)同時(shí)工作的情況下，完成一次read系統(tǒng)調(diào)用，取回同樣大小的數(shù)據(jù)，需要的URB個(gè)數(shù)和時(shí)間也隨之減小#65377;這說明攝像頭與鼠標(biāo)的沖突次數(shù)在減少，沖突得到了有效的控制#65377;

4.2.2增加URB的數(shù)據(jù)攜帶量

當(dāng)USB攝像頭與USB鼠標(biāo)發(fā)生傳輸沖突時(shí)，傳輸相同大小的數(shù)據(jù)所需的URB個(gè)數(shù)大幅增加，URB傳輸完成后拷貝數(shù)據(jù)和重發(fā)URB的工作量也隨之增加，加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)#65377;通過增加同步傳輸U(kuò)RB包含的同步數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)能夠讓一個(gè)URB帶回更多的數(shù)據(jù)，從而減少傳輸工作所需的URB個(gè)數(shù)，緩解沖突帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)#65377;

同步數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)由同步傳輸U(kuò)RB結(jié)構(gòu)中的number_of_packets字段指定#65377;URB的初始化工作一般是設(shè)備類驅(qū)動(dòng)完成的#65377;為了增加同步傳輸U(kuò)RB包含的同步數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，需要修改攝像頭驅(qū)動(dòng)源碼中spca5xx.h文件中的FRAMES_PER_DESC宏#65377;在攝像頭驅(qū)動(dòng)初始化同步傳輸U(kuò)RB時(shí)，根據(jù)此宏的取值來設(shè)置同步傳輸U(kuò)RB結(jié)構(gòu)中的number_of_packets字段，其默認(rèn)值為10#65377;調(diào)整了FRAMES_PER_DESC宏的值后，再次進(jìn)行了與之前相同的實(shí)驗(yàn)#65377;實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示#65377;

從表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著同步數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的增加，USB攝像頭和USB鼠標(biāo)同時(shí)工作的情況下，完成一次read系統(tǒng)調(diào)用，取回同樣大小的數(shù)據(jù)，需要的URB個(gè)數(shù)也隨之減小，緩解了傳輸沖突帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)#65377;

4.2.3降低帶寬要求

從降低沖突頻率和增加URB的數(shù)據(jù)攜帶量這兩個(gè)方面著手，可以緩解USB攝像頭與USB鼠標(biāo)傳輸帶寬沖突帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，花屏#65380;死機(jī)現(xiàn)象消失了#65377;但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，“USB schedule overrun!!”這一報(bào)錯(cuò)信息仍然會出現(xiàn)，系統(tǒng)中的USB傳輸帶寬沖突問題仍然存在#65377;

攝像頭驅(qū)動(dòng)的帶寬要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的帶寬要求，因此調(diào)整攝像頭驅(qū)動(dòng)要求的帶寬，讓其為鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)留出相應(yīng)的帶寬#65377;為了降低攝像頭驅(qū)動(dòng)要求的帶寬，需要修改攝像頭驅(qū)動(dòng)源碼中spca5xx.c文件中的spca50x_set_packet_size()函數(shù)#65377;此函數(shù)的主要作用是設(shè)置spca50x結(jié)構(gòu)中的packet_size字段#65377;攝像頭驅(qū)動(dòng)通過此字段來通知HCD為其預(yù)留USB帶寬，其默認(rèn)值為1 023 Byte#65377;調(diào)整了攝像頭驅(qū)動(dòng)的帶寬要求后，再次進(jìn)行了與之前相同的實(shí)驗(yàn)#65377;實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示#65377;

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)packet_size<960時(shí)，完成一次read系統(tǒng)調(diào)用，取回同樣大小的數(shù)據(jù)，需要的URB個(gè)數(shù)和攝像頭單獨(dú)工作時(shí)大致相等，并且“USB schedule overrun!!”這一出錯(cuò)信息不再出現(xiàn)，USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突不再發(fā)生#65377;

為了綜合三種解決辦法的優(yōu)勢，筆者分別從上述三種解決辦法中抽取實(shí)驗(yàn)效果最好的一組，同時(shí)修改相應(yīng)的字段，再次進(jìn)行了與第3章相同的實(shí)驗(yàn)#65377;實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示#65377;

5結(jié)束語

USB作為當(dāng)今主流的外圍設(shè)備總線接口標(biāo)準(zhǔn)，具有使用方便#65380;支持熱拔插#65380;易于擴(kuò)展等眾多優(yōu)點(diǎn)，市場上的USB設(shè)備的種類也越來越多#65377;本文研究與分析USB攝像頭與USB鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸帶寬沖突問題，為多USB設(shè)備協(xié)同工作的開發(fā)實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題提供了解決思路和技術(shù)支持#65377;

參考文獻(xiàn):

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第10期周小勇，等:

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