增强型主机控制器接口（EHCI）

EHCI（Enhanced Host Controller Interface） 是 USB 2.0 唯一指定的主机控制器接口标准，由 Intel 主导开发，USB 实施者论坛（USB‑IF）强制统一规范，解决了 USB 1.x 时代 OHCI 与 UHCI 两套不兼容标准共存的问题。

EHCI规范

USB-IF坚持由英特尔生产单一实现,所以USB2.0只有了一个标准EHCI。

• https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/technical-specifications/ehci-specification-for-usb.pdf
• https://www.intel.la/content/dam/www/public/us/en/documents/technical-specifications/ehci-v1-1-addendum.pdf

1 接口概述

• PC 上 EHCI 控制器仅挂载于 PCI 总线，这是规范规定的唯一访问方式。
• USB 2.0 兼容 USB 1.x 设备，但 EHCI 本身不直接支持低速/全速设备，需搭配配套控制器companion controllers（UHCI 或 OHCI 二选一，不会同时存在）。

如下示意(左下角,配套UHCI或者OHCI)

• PCI 识别标识：
  • 类代码：0x0C
  • 子类代码：0x03
  • 接口代码：0x20
• 寄存器基地址存于 PCI 配置空间的 BAR0，为内存映射地址。

2 能力寄存器（Capability Registers）

位于 PCI BAR0 给出的内存地址，只读，描述控制器硬件属性。

3 运行寄存器（Operation Registers）

位于能力寄存器之后，地址 = BAR0 基地址 + CAPLENGTH，用于控制与状态查询。

3.1 USB 命令寄存器（USBCMD）

3.2 USB 状态寄存器（USBSTS）

3.3 USB 中断使能寄存器（USBINTR）

3.4 端口状态/控制寄存器（PORTSC）

4 异步队列列表（Asynchronous Queue List）

异步队列是队列头（Queue Head）构成的环形链表，每个队列头指向链表下一个队列头及本组第一个传输描述符（TD）。

• 使能异步调度后，控制器从 ASYNCLISTADDR 指向的第一个队列头开始遍历，直到遇到回收头标志的队列头。
• 首个队列头不检查回收头标志，可将首节点设为回收头形成闭环。
• 队列头缓存当前 TD，硬件直接用此副本执行传输。

4.1 队列头（Queue Head）

4.2 水平链接指针

4.3 端点特性

4.4 端点能力

EHCI 核心速记

一、基础框架

• EHCI = USB 2.0 高速主机控制器标准
• 时间单位：微帧 Microframe = 125μs
• 每秒：8000 微帧
• 只负责高速 HS，全速/低速交给 companion controller

二、调度结构（最重要）

EHCI 分两套调度：

1. 周期性调度（Periodic）

用于：中断 + 等时 Isoch
结构：

• Periodic List（帧列表）
• 每微帧一个节点
• 节点可以是：
  • iTD（等时传输描述符）
  • siTD（拆分等时，用于 FS/LS）
  • QH（中断队列头）

2. 异步调度（Asynchronous）

用于：控制 + 批量
结构：

• 一条环形链表：Async List
• 节点都是 QH（Queue Head）
• 每个 QH 下挂 qTD（队列传输描述符）

三、四大数据结构

EHCI 主机控制器
├─ 周期性调度列表 (Periodic List)  〈= 中断、等时传输
│   ├─ 微帧 0 ~ 微帧 7FFF
│   │
│   ├─ 节点类型：
│   │    ├─ iTD      → 高速等时 Isoch
│   │    ├─ siTD     → 全速/低速等时（拆分事务）
│   │    └─ QH       → 中断端点（中断QH）
│   │         └─ qTD 链 → 中断传输
│
└─ 异步调度列表 (Async List)      〈= 控制、批量传输
    └─ QH 环形链表
         └─ qTD 链 → 控制/批量传输

1. QH —— Queue Head（队列头）

• 代表一个端点
• 保存：设备地址、端点号、最大包长、速度
• 内部缓存一个 qTD，硬件直接用
• 异步/中断都用 QH

2. qTD —— 普通传输描述符

• 用于：控制、批量、普通中断
• 一个 qTD 对应一次或多个数据包
• 记录缓冲区、长度、状态、DATA0/DATA1 翻转
• 不支持微帧内 burst

3. iTD —— 等时传输描述符

• 仅用于高速等时 Isoch
• 一个 iTD 可以覆盖 8 个微帧
• 每个微帧可发 1~3 个数据包（burst）
• 高带宽 = burst = 多事务/微帧

4. siTD —— 拆分等时描述符

• 用于：全速/低速等时
• 通过 EHCI 拆分事务（Split Transaction）转发
• 和高速 burst 无关

四、高带宽 burst 考点（你最关心）

一句话核心

高带宽 = 一个微帧内同一个端点连续多次事务 = burst

• 由 QH 中 Multiplier（乘数） 控制：

  • 00 = 1 事务/微帧
  • 01 = 2 事务/微帧
  • 10 = 3 事务/微帧
  • 11 = 保留

• 只有两类端点能用：

  • 高速等时端点
  • 高速中断端点

• 实现结构：

  • 等时：iTD 直接支持多包 burst
  • 中断：QH 下多个 qTD 连发实现 burst

五、微帧与事务数量（标准答案）

• 1 微帧 = 125μs
• 单个端点最大事务数：3 个（burst）
• 整个微帧总事务数：数十个（由总线带宽决定）
• 周期性传输最多占用微帧 80% 时间
• 异步传输至少保留 20%

六、寄存器极简版

核心运行寄存器

• USBCMD：启动/停止控制器、复位、使能调度
• USBSTS：中断、错误、端口变化
• FRINDEX：当前微帧编号（低 13 位有效）
• PERIODICLISTBASE：周期性列表基址
• ASYNCLISTADDR：异步队列链表头
• PORTSC：端口连接、复位、速度、使能

七、一句话串联所有概念

EHCI 使用 微帧(125μs) 调度，
iTD/QH 实现 1 微帧最多 3 个事务的 burst 高带宽传输，
周期性调度处理等时/中断，异步调度处理控制/批量，
所有传输由 TD/QH 描述，硬件自动执行。

翻译原文：https://wiki.osdev.org/Enhanced_Host_Controller_Interface