USB 带宽管理中的32个时隙(TimeSlot)

一、时隙的概念

时隙（Time Slot） 是 USB 总线带宽管理中的最小时间单位，每个时隙对应 1 毫秒（ms） 的时间间隔。

以下为32个时隙（覆盖32ms）

二、为什么是 32 个？

设计原因

代码实现

UCHAR tmp;
UCHAR hsInterval;

if (endpoint->Parameters.DeviceSpeed == HighSpeed) {
    // normalize the high speed period to microframes
    // for USB 20 the period specifies a power of 2  
    // ie period = 2^(hsInterval-1)
    hsInterval = PipeHandle->EndpointDescriptor.bInterval;
    if (hsInterval) {
        hsInterval--;
    }
    // hsInterval must be 0..5
    if (hsInterval > 5) {
        hsInterval = 5;
    }
    tmp = 1<<hsInterval;
} 
else
{
    tmp = PipeHandle->EndpointDescriptor.bInterval;
}
// this code finds the first interval 
// <= USBPORT_MAX_INTEP_POLLING_INTERVAL
// valid intervals are:
// 1, 2, 4, 8, 16, 32(USBPORT_MAX_INTEP_POLLING_INTERVAL)

所以高速原始的的hsInterval的范围为[1,6]，超过6的当6处理

由于时间期定固定为[1,2,4,8,16,32]，所以对于tmp的值需要落到该值中的一个

//都先为32，这样超过32的都是32
endpoint->Parameters.Period = USBPORT_MAX_INTEP_POLLING_INTERVAL;//32
if ((tmp != 0) && (tmp < USBPORT_MAX_INTEP_POLLING_INTERVAL))
{
    // bInterval is in range.  Adjust Period down if necessary.
    if ((endpoint->Parameters.DeviceSpeed == LowSpeed) &&(tmp < 8))
    {
        // bInterval is not valid for LowSpeed, cap Period at 8
        //低速不能有<8的情况，因为低速必须大于1ms
        endpoint->Parameters.Period = 8;//1ms

    } else {
        // Adjust Period down to greatest power of 2 less than or equal to bInterval.
        //通过位运算找到与 tmp 有重叠位的最大 2 的幂,找到最大的n，使得 2^n ≤ tmp
        while ((endpoint->Parameters.Period & tmp) == 0) {
            endpoint->Parameters.Period >>= 1;
        }
    }
}

对于低全速，超过32就没有意义了，当32处理了，低于8当8处理
后面是向下取2的N次方最接近的那一个如7取8，19取16，因为只有[1,2,4,8,16,32]这几个。

轮询间隔与时隙的关系

// 中断端点的轮询间隔必须是 2 的幂
#define USBPORT_MAX_INTEP_POLLING_INTERVAL 32

// 常用轮询间隔
ULONG intervals[] = {1, 2, 4, 8, 16, 32};

三、时隙如何用于带宽管理

3.1 时隙分配原理

对于一个周期为 period 的中断端点，它会在每 period 毫秒内占用一次带宽：

示例：周期 = 8ms 的中断端点
┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│ 时隙0│ 时隙1│ 时隙2│ 时隙3│ 时隙4│ 时隙5│ 时隙6│ 时隙7│
├──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│ 占用 │      │      │      │      │      │      │      │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘

┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│ 时隙8│ 时隙9│ 时隙10│时隙11│时隙12│时隙13│时隙14│时隙15│
├──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│ 占用 │      │      │      │      │      │      │      │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘

以此类推，每隔 8ms 占用一个时隙

由于高速和低全速对bInterval的解释不一样，所以需要统一计算：

// 高速设备的周期计算
if (IsHighSpeed) {
    period = (ULONG)1 << (bInterval - 1);  // 2^(bInterval-1)
} else {
    period = bInterval;  // 低速/全速直接使用
}

3.2 数组索引计算

假设高速端点描述符中bInterval=3,那么每4ms查询一次
那么slot的值应为,其8个

 slot = 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28（覆盖32ms窗口）

3.3 带宽表更新

// 分配带宽时，从对应时隙中减去带宽
BandwidthTable[slot] -= bandwidth;

// 释放带宽时，恢复对应时隙的带宽
BandwidthTable[slot] += bandwidth;

四、时隙与不同轮询间隔的关系

示例：不同轮询间隔的时隙占用

可视化示例

32ms 时间窗口内的时隙占用情况：

轮询间隔=1ms:  ██████████████████████████████
轮询间隔=2ms:  █░█░█░█░█░█░█░█░█░█░█░█░█░█░█░
轮询间隔=4ms:  █░░░█░░░█░░░█░░░█░░░█░░░█░░░█░
轮询间隔=8ms:  █░░░░░░░█░░░░░░░█░░░░░░░█░░░░░
轮询间隔=16ms: █░░░░░░░░░░░░░░█░░░░░░░░░░░░░░
轮询间隔=32ms: █░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░

█ = 占用时隙
░ = 空闲时隙

scheduleOffset

scheduleOffset 用于错开不同端点的查询时间，避免多个端点同时占用总线
当scheduleOffset=0时

for (i = 0; i < n; i++) {
    slot = scheduleOffset + i * period;
    // scheduleOffset=0: slot = 0,4,8,12,16,20,24,28 正确
}

当scheduleOffset=1时

for (i = 0; i < n; i++) {
    slot = scheduleOffset + i * period;
    // scheduleOffset=0: slot = 1,5,9,13,17,21,25,29 正确
}

scheduleOffset选择剩余带宽最大的位置 ，以平衡总线上的负载分布

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 假设：period=4, bandwidth=1000 bps                               │
│                                                                 │
│ BandwidthTable[0..31] = [5000, 3000, 4000, 6000, ...]           │
│                                                                 │
│ scheduleOffset=0:                                               │
│   检查 slot: 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28                        │
│   最小可用带宽 = min(5000, ...) = 4000 bps                       │
│                                                                 │
│ scheduleOffset=1:                                               │
│   检查 slot: 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29                        │
│   最小可用带宽 = min(3000, ...) = 2000 bps                       │
│                                                                 │
│ scheduleOffset=2:                                               │
│   检查 slot: 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30                       │
│   最小可用带宽 = min(4000, ...) = 3500 bps                       │
│                                                                 │
│ scheduleOffset=3:                                               │
│   检查 slot: 3, 7, 11, 15, 19, 23, 27, 31                       │
│   最小可用带宽 = min(6000, ...) = 5500 bps  ← 最佳选择！          │
│                                                                 │
│ 最终选择 scheduleOffset=3，因为它的最小可用带宽最大                │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

五、设计优势

为什么使用 32 时隙方案？

六、总结

这种设计使得 USB 驱动能够高效地管理总线带宽，确保不同类型的传输（中断、等时、控制、批量）都能获得合理的资源分配。