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  • 可扩展主机控制器接口(eXtensible Host Controller Interface,缩写xHCI)是一种计算机接口规范,其定义了用于通用串行总线(USB)主机控制器的寄存器级描述,可以与USB 1.x、2.0和3.x兼容设备接口连接。该规范也被称为...

    可扩展主机控制器接口(eXtensible Host Controller Interface,缩写xHCI)是一种计算机接口规范,其定义了用于通用串行总线(USB)主机控制器的寄存器级描述,可以与USB 1.x、2.0和3.x兼容设备接口连接。该规范也被称为USB 3.0主机控制器规范。

    中文名

    可扩展主机控制器接口外文名

    eXtensible Host Controller Interface

    领    域

    计算机接口

    可扩展主机控制器接口架构目标

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    语音

    xHCI在许多方面相较前几代USB主机控制器接口架构有着根本突破。前几代是:开放主机控制器接口(OHCI)、通用主机控制器接口(UHCI)和增强主机控制器接口(EHCI)。以下是xHCI架构的主要目标:

    高效运行 – 闲置耗电与性能优于传统USB主机控制器架构;

    与现有USB软件模型完全一致的设备级编程模型;

    将提供给软件的主机控制器接口与底层USB协议解耦;

    最小化主机内存访问,完全消除USB设备空闲时的主机内存访问;

    消除寄存器写入并最小化正常数据传输时的寄存器读取;

    消除“同伴控制器”模式;

    在系统资源受限情况下启用硬件“故障转移”模式,因此设备仍然可以访问,但可能有不利的功耗/性能;

    提供不同市场不同硬件功能的能力,例如针对特定市场的主机控制器功率、性能和成本折衷;

    定义一个可扩展架构,为新的USB规范和技术提供一条简单的路径,例如更高带宽接口、光传输介质等,使其不需要再定义一个USB主机控制器接口。[1]

    可扩展主机控制器接口架构细节

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    可扩展主机控制器接口支持所有速度

    OHCI及UHCI控制器仅支持USB 1速度驱动程序(1.5 Mbit/s和12 Mbit/s)而EHCI仅支持USB 2驱动程序(480 Mbit/s)。

    xHCI架构在设计上支持所有USB速度,包括SuperSpeed(5 Gbit/s)和未来的速度,且只需单个驱动程序堆栈。

    可扩展主机控制器接口供电效能

    在USB最早于1995年开发之时,它是为台式机平台而设计,防止PC上的连接器不断增加(例如PS/2、串行端口、并行端口、游戏端口等),当时主机的功耗并不是重要的考虑因素。在那之后,移动平台已经成为选择之一,而其电池使功耗成为一项关键的考虑因素。传统USB主机控制器(OHCI、UHCI和EHCI)的架构非常相似,在USB上执行的事务的“日程安排”由主机内存中的软件构建,并且主机控制器硬件将连续读取调度以确定在USB上需要驱动的事务,哪怕没有数据被移动。另外,在从设备读取之时,即使没有要数据的读取,也会在每个调度间隔之时轮询设备。

    xHCI消除了基于USB事务日程的主机内存,在没有USB数据移动时,可以实现主机内存零活动。

    xHCI允许USB 3.0或更高版本的设备在数据可被读取时通知主机控制器,从而减少定期轮询设备的需求;并将使用中断处理的USB 2.0和1.1设备的管理从CPU驱动的USB驱动程序移动到USB主机控制器。如果不需要任何更改、并且如果没有任何设备有任何中断发送,EHCI、OHCI和UHCI主机控制器会自动为CPU处理轮询,但它们都依赖CPU为控制器设置日程表。如果使用中断事务的任何USB设备有要发送的数据,则xHCI主机控制器将发送中断,通知CPU有需要处理的USB中断事务。由于CPU不再需要管理USB总线的轮询,因此可以在低功耗状态下保持更久。

    xHCI不要求其实现支持所有高级的USB 2和3电源管理功能,包括USB 2 LPM、USB 3 U1和U2状态、HERD、LTM、功能唤醒等。但是这些功能是实现xHCI所有优点的必要条件。[2]

    可扩展主机控制器接口虚拟化支持

    传统的USB主机-控制器架构在应用于虚拟化环境时表现出一些严重的缺陷。传统的USB主机-控制器接口定义了一个相对简单的硬件数据泵;其中与整体总线管理(带宽分配、地址分配等)相关的关键状态驻留在主机适配器驱动程序(HCD)的软件中。尝试将标准的硬件IO虚拟化技术(复制I/O接口寄存器)应用于传统USB主机控制器接口是有问题的,因为跨越虚拟机(VM)的关键状态的管理不适用于硬件。xHCI架构将这一关键状态的控制转移到硬件,从而实现跨虚拟机的USB资源管理。xHCI虚拟化功能还提供:

    各个USB设备(不管其在总线拓扑中的位置)直接分配给任何虚拟机;

    最小化运行时虚拟机之间的通信;

    支持原生USB设备共享;

    支持PCIe SR-IOV。

    可扩展主机控制器接口简化驱动程序架构

    EHCI使用OHCI或UHCI控制器作为“同伴控制器”,其中USB 2设备通过EHCI堆栈管理,并且EHCI的端口逻辑允许将低速或全速USB设备路由到“同伴”的UHCI或OHCI控制器,其中低速或全速USB设备通过相应的UHCI或OHCI堆栈管理。举例来说,提供4个USB“标准A”连接器的USB 2 PCIe主机控制器卡通常会向系统软件提供一个4端口EHCI和两个2端口OHCI控制器。当一个高速USB设备连接到4个连接器之一时,该设备是受EHCI控制器的4个根集线器端口之一管理。如果一个低速或全速USB设备连接到连接器1或2,它将被路由到其中一个OHCI控制器的根集线器端口来管理,以及连接到连接器3或4的低速和全速USB设备将路由到另一个OHCI控制器的根集线器端口。

    xHCI架构消除了同伴控制器及其单独的驱动程序堆栈的需求。

    以前由驱动程序执行的日程合并、带宽管理和USB设备地址分配功能,现在转入xHCI硬件,这使xHCI的软件堆栈更简单、精简、更低延迟。

    可扩展主机控制器接口流支持

    USB 3.0 SuperSpeed规范中增加了流支持,这主要是为通过USB实现高性能存储操作。USB端点与系统内存的缓冲区之间的关系通常是1:1,主机控制器只负责指导所有的数据传输。流通过提供一对多的“缓冲区”的关联改变了这个范例,并允许设备直接告知主机控制器将移动指向哪个缓冲区。与USB流端点相关联的USB数据传输是由xHCI所有的、相同的批量端点调度,但与传输相关联的数据缓冲区由设备决定。 xHCI USB流支持最多64K缓冲区与单个端点相关联。

    xHCI流协议的支持允许USB设备选择xHCI调度时选择哪个缓冲区用于传输。[3]

    可扩展主机控制器接口可扩展性

    xHCI架构被设计为高度可扩展,能够支持1到255个USB设备和1到255个根集线器端口。因为每个USB设备最多定义31个端点,因此支持255个设备的xHCI最多能支持7,906个单独的总端点。通常来说,与一个端点关联的每个内存缓冲区是以一个物理内存块中的队列描述,其中的队列需要头指针、尾指针、长度等寄存器来定义其状态。有很多方法可以来定义队列状态,但如果每个队列要占用32个字节的寄存器空间,则几乎需要256KB的寄存器空间才能支持7,906个队列。一般来说,只有少量USB设备被同时连接到一个系统,并且平均来说,一个USB设备支持3-4个端点,而其中部分端点在同一时间处于活动状态。xHCI在系统内存中维护队列状态作为端点的上下文数据结构。上下文的设计使得它们可以被xHCI缓存,并且以端点的活动进行“分页”。因而,供应商可以根据其产品预期的实际使用模式调整其内部的xHCI端点上下文缓存的空间和资源,而不必按照架构本身的限制来设计。在内部缓存空间选择理想并且正常使用条件的的情况下,xHCI不出现上下文分页。USB端点的活动往往是突发性。也就是说,在任何时间点,都可能有大量端点准备好移动数据,但只有一个子集活跃于移动数据。例如,如果用户离开了设备,则鼠标的中断端点可能数小时不会传输数据。xHCI供应商设计的算法可以检测这种情况,并在其他端点变为忙碌时使该端点变为分页候选。

    xHCI架构本身设计的最大值允许大量USB设备、端口、中断向量,……但相应实现的定义只需要满足其营销所宣称的数值。举例来说,供应商可以将其平板电脑上实现的xHCI只支持最多16个USB设备。

    供应商可以进一步利用xHCI架构特性来调整其内部资源,以匹配目标使用模式。例如,如果供应商经过可用性测试确定95%的平板电脑用户永远不会连接超过4个USB设备,并且每个USB设备通常定义4个端点(或更少), 那么可以确定正常情况下内部缓存16个端点上下文就已足够,不会有由于端点上下文分页产生的系统内存活动。[4]参考资料

    1.

    Axelson, Jan (1 September 2006). USB Mass Storage: Designing and Programming Devices and Embedded Hosts (1st ed.). Lakeview Research. ISBN 978-1-931-44804-8.

    2.

    USB Complete: The Developer's Guide (5th ed.). Lakeview Research. ISBN 978-1-931448-28-4.

    3.

    USB官方网站

    .USB官方网站[引用日期2018-06-14]

    4.

    Hyde, John (February 2001). USB Design by Example: A Practical Guide to Building I/O Devices (2nd ed.). Intel Press. ISBN 978-0-970-28465-5.

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  • 针对于笔记本电脑设备管理器中’符合USBxHCI的主机控制器’出现感叹号的问题,折磨了一个晚上找到了一个可行的方法,下图是修复好之后的展示,本人电脑win10专业版,直接上解决方案: 方案一:下载驱动人生或者驱动...

    针对于笔记本电脑设备管理器中’符合USBxHCI的主机控制器’出现感叹号的问题,折磨了一个晚上找到了一个可行的方法,下图是修复好之后的展示,本人电脑win10专业版,直接上解决方案:
    在这里插入图片描述

    方案一:下载驱动人生或者驱动精灵更新驱动,本人使用的驱动精灵更新的显卡驱动,重启电脑后问题消失
    

    在这里插入图片描述

    方案二(网友方法):重装系统,这个是绝大多数人认可的方案,但是个别电脑重装后USB依然未生效
    
    方案三:查看是否是主板的损坏导致的USB接口失灵
    
    
    这个出现感叹号的'符合USBxHCI的主机控制器'卸载重装后依然是叹号,为什么更新显卡驱动可以解决这个问题的具体原因暂时未知,知道的大佬可以评论下
    
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  • 1. 主机控制器(Host Controller)  • UHCI: Universal Host Controller Interface (通用主机控制接口, USB1.0/1.1)  • OHCI: Open Host Controller Interface (开放主机控制接口,USB1.0/1.1)  • EHCI: ...

    1. 主机控制器(Host Controller)

          • UHCI: Universal Host Controller Interface (通用主机控制接口, USB1.0/1.1)
          • OHCI: Open Host Controller Interface (开放主机控制接口,USB1.0/1.1)
          • EHCI: Enhanced Host Controller Interface (用于USB2.0高速设备的“增强主机控制接口”)    

         USB的拓扑结构决定了主机控制器就是最高统帅,没有主机控制器的要求设备永远不能主动发数据。所以主机控制器在USB的世界里扮演着重要的角色,它是幕后操纵者。

         比如说Host发送Setup包获取设备描述符是怎么发出去的?

        这个过程包含很多信息,比如:如何在D+和D-这两根线上传过去的、又传过来的。  这一切的工作都是主机控制器给我们做的。USB Host控制器的规范有很多种这里只介绍混得不错的EHCI和OHCI。这个EHCI主要针对高速的USB设备。如果要操作全速和低速可以考虑OHCI。

     

          • 什么是USB controller?

       USB 设备和主机的接口就是host controller,一个主机可以支持多个host controller比如分别属于不同厂商的。那么USB host controller 本身是做什么的? controller(控制器):用于控制。控制什么?控制所有的USB设备的通信。

          CPU把要做的事情分配给主机控制器,然后自己想干什么就干什么去,主机控制器替他去完成剩下的事情,事情办完了再通知CPU。否则让CPU去盯着每一个设备做每一件事情,那是不现实的。

          控制器的主要工作是什么? 把数扔出去,把数拿回来。绝对不应该偷偷加工数据。

          主机控制器控制总线上包的传输, 使用1ms或125us的帧。在每帧的开始时,主机控制器产生一个帧开始包(SOF: Start of Frame)。
          SOF包用于同步帧的开始和跟踪帧的数目。包在帧中被传输,或由Host到Device(out事务),或由Device到Host(in事务)。传输总是由Host发起(轮询传输)。回此每条USB总线只能有一个Host。每个包的传输都有一个状态阶段同(同步传输除外),数据接收者可以在其中返回ACK(应答接收),NAK(重试),STALL(错误条件)或什么也没有(混乱数据阶段,设备不可用或已经断开)。

     

          • 主机控制器Driver的工作是什么?

       让主机控制器工作起来,发挥它的潜力。 让控制器发数据、收数据 。主机控制器主要包含以下几步:

        1) 按照主机控制器的要求组织结构体  

           2) 将结构体在合适的时间、放在合适的地方 

           3)  trigger 

           4)  等待完成信号

           主机控制器Driver开发过程就是上面这几步。

    2. 关键数据结构

         关键数据结构关系如下图所示:

     

     3. 系统架构 

         EHCI负责处理高速设备,OHCI负责处理全速/低速设备。上面这张图描述了USB控制器在route USB设备时的操作。
         一个port 多个主人,OHCI的角色是companion,伴侣。地位低点。EHCI处理不了再给它处理。 

     

           关于端口逻辑这块需要特别注意,Driver设计者要注意:当前端口正在属于谁。当端口被OHCI所拥有时,你插入个高速设备怎么办?没办法!在没有插入设备时,就不应该让OHCI拥有这个端口。只有EHCI控制器才能识别出设备是全速、高速还是低速。

    4. usb_submit_urb

     usb_submit_urb处理流程如下图所示:

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  • 通用串行总线控制器显示感叹号

    千次阅读 2019-10-31 17:35:17
    红色框内所有的内容消失,“可扩展主机控制器”一行显示感叹号。 解决办法: 1、打开注册表编辑器(运行------>输入“regedit”) 2、找到如下位置 3、如果发现右边有UpperFilters或者LowerFilters,删除它们。...

    前段时间安装软件配置环境重启后鼠标突然不能用了,打开设备管理器发现红色框内所有的内容消失,“可扩展主机控制器”一行显示感叹号。

    在这里插入图片描述

    解决办法:
    1、打开注册表编辑器(运行------>输入“regedit”)
    2、找到如下位置
    在这里插入图片描述
    3、如果发现右边有UpperFilters或者LowerFilters,删除它们。这里是已经修复完成后的截图,没有两项中的任一一项。
    4、进入设备管理器(右键我的电脑/此电脑,点击属性,左上部有任务管理器),右键有感叹号的设备,选择卸载。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    5、重启电脑。开机后发现鼠标可以正常使用。

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  • 删除USB设备坑点一:intel(R) USB 3.0 可扩展主机控制器不可以删!!正确操作:删除USB Composite Device 即可 解决办法 1.打开设备管理器 ——> 通用串行总线控制器 2.点击查看 ——> 显示隐藏的设
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    2016-06-13 06:27:01
    0907-多控制器.zip
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    万次阅读 多人点赞 2017-10-27 08:49:22
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