USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　引言

　　USB總線是1995年微軟、IBM等公司推出的一種新型通信標(biāo)準(zhǔn)總線，特點(diǎn)是速度快、價(jià)格低、獨(dú)立供電、支持熱插拔等，其版本從早期的1.0、1.1已經(jīng)發(fā)展到目前的2.0版本，2.0版本的最高數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到480Mbit/s，能滿足包括視頻在內(nèi)的多種高速外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸要求，由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，USB總線越來(lái)越多的被應(yīng)用到計(jì)算機(jī)與外設(shè)的接口中，芯片廠家也提供了多種USB接口芯片供設(shè)計(jì)者使用，為了開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的USB設(shè)備，設(shè)計(jì)者往往需要自己開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)一直是WINDOWS開(kāi)發(fā)中較難的一個(gè)方面，但是通過(guò)使用專門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包能減小開(kāi)發(fā)的難度，提高工作效率，本文使用Compuware Numega公司的DriverStudio3.2開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)了基于PHILIPS公司USB2.0控制芯片ISP1581的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的模型

　　圖1 USB驅(qū)動(dòng)程序模型
　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種典型的WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動(dòng)程序，其程序模型如圖1所示。用戶應(yīng)用程序工作在Windows操作系統(tǒng)的用戶模式層，它不能直接訪問(wèn)USB設(shè)備，當(dāng)需要訪問(wèn)時(shí)，通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)的API(Application programming interface)函數(shù)生成I/O請(qǐng)求信息包(IRP)，IRP被傳輸?shù)焦ぷ饔趦?nèi)核模式層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序完成與UBS外設(shè)通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括兩層：函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序?qū)雍涂偩€驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，函?shù)驅(qū)動(dòng)程序一方面通過(guò)IRP及API函數(shù)與應(yīng)用程序通信，另一方面調(diào)用相應(yīng)的總線驅(qū)動(dòng)程序，總線驅(qū)動(dòng)程序完成和外設(shè)硬件通信。USB總線驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)由操作系統(tǒng)提供，驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　使用DriverStudio3.2開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　該驅(qū)動(dòng)程序的主要功能包括：從控制端點(diǎn)0讀取規(guī)定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)、向端點(diǎn)0發(fā)出控制命令、從端點(diǎn)2批量讀數(shù)據(jù)、向端點(diǎn)2批量寫(xiě)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)采用DriverStudio3.2驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包及VC++6.0，使用開(kāi)發(fā)包中的向?qū)С绦駾riverWizard就可以方便的生成驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分程序源代碼，開(kāi)發(fā)者只需要在功能模塊中加入自己的實(shí)現(xiàn)程序就能完成復(fù)雜的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，下面介紹使用DriverWizard生成ISP1581驅(qū)動(dòng)程序的過(guò)程：

　　1)啟動(dòng)DriverWizard，選擇DriverWorks Project創(chuàng)造一個(gè)名為USBDIO的VC++項(xiàng)目;

　　2)在驅(qū)動(dòng)程序類型中選擇WDM Driver，WDM Function Driver,在硬件設(shè)備所支持的總線類型中選擇USB(WDM Only)，在USB Vendor ID(廠商識(shí)別碼)中填寫(xiě)0741，在USB Product ID(產(chǎn)品識(shí)別碼)中填寫(xiě)0821;

　　3)增加USB設(shè)備端點(diǎn)，設(shè)置端點(diǎn)2為批量輸入/輸出傳輸方式;

　　4)在驅(qū)動(dòng)程序支持的功能項(xiàng)中選擇Read、Write、Device Control、Cleanup;

　　5)選擇自動(dòng)產(chǎn)生批量讀及批量寫(xiě)程序代碼;

　　6)在I/O請(qǐng)求IRP處理方式中選擇None，即IRP不排隊(duì);

　　7)在接口的打開(kāi)方式中選擇Symbolic link:UsbdioDevice，即應(yīng)用程序以符號(hào)鏈接名打開(kāi)設(shè)備;

　　8)定義應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)對(duì)WDM驅(qū)動(dòng)程序通信的控制命令，結(jié)果如圖2所示。

　　圖2 定義控制代碼

　　9)最后選擇完成并確認(rèn)生成新的項(xiàng)目信息，向?qū)С绦蚓蜁?huì)在usbdio目錄中生成一個(gè)名為USBDIO的項(xiàng)目文件，其中包括了ISP1581驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分源代碼。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編程

　　在使用DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分程序源代碼后，開(kāi)發(fā)者只需完成圖2中三個(gè)控制代碼所對(duì)應(yīng)的三個(gè)功能模塊的編程：模塊USBDIO_IOCTL_ID_CODE_Handler的功能是從控制端點(diǎn)0讀取數(shù)據(jù)，模塊USBDIO_IOCTL_TEST_COMMAND_Handler的功能是向控制端點(diǎn)0發(fā)送一個(gè)控制命令，模塊USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND_Handler的功能是向控制端點(diǎn)0發(fā)送一個(gè)要求USB設(shè)備進(jìn)行DMA傳輸?shù)目刂泼?，下面是第一個(gè)模塊的編程實(shí)例。

　　NTSTATUS USBDIODevice::USBDIO_IOCTL_ID_CODE_Handler(KIrp I)

　　{

　　NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;

　　t << "Entering USBDIODevice::USBDIO_IOCTL_ID_CODE_Handler, " << I << EOL;

　　PURB pUrb;

　　ULONG numData;

　　numData=*(PUCHAR)I.IoctlBuffer();//設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

　　pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(

　　(PUCHAR)I.IoctlBuffer(),//驅(qū)動(dòng)程序存放讀取的數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)

　　numData,//wLength，讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

　　0,

　　0x0c,//bRequest

　　0,//wValue

　　TRUE,//input

　　TRUE,

　　NULL,

　　0x0472,//wIndex,傳輸?shù)焦碳绦虻淖x數(shù)命令碼

　　URB_FUNCTION_VENDOR_ENDPOINT,

　　NULL

　　);

　　if(pUrb==NULL)

　　{

　　I.Information() =0;

　　status=STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

　　}

　　else

　　{

　　I.Information() =numData;

　　status=m_Lower.SubmitUrb(pUrb,NULL,NULL,0);

　　delete pUrb;

　　}

　　return status;

　　}

　　對(duì)象I包含了應(yīng)用程序下傳的IRP內(nèi)容，包括命令或數(shù)據(jù)等參數(shù)，函數(shù)BuildVendorRequest用來(lái)分配并初始化一個(gè)用于廠商請(qǐng)求的URB(USB Request Block)，該URB將作為下傳IRP的一個(gè)參數(shù)，通過(guò)函數(shù)SubmitUrb發(fā)送給總線驅(qū)動(dòng)程序，以便完成與硬件的通信。

　　在初始化URB時(shí)需要了解USB的傳輸方式及傳輸協(xié)議，該功能使用了USB的控制傳輸方式，該方式包括三個(gè)階段：設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段，其中數(shù)據(jù)階段可選，開(kāi)發(fā)者主要關(guān)注設(shè)置階段中的8個(gè)關(guān)鍵字節(jié)的定義，8字節(jié)分成了5個(gè)字段，定義了傳輸請(qǐng)求及相關(guān)信息，這8個(gè)字節(jié)的格式如圖3所示。

　　bmRequestType

　　bRequest

　　wValue

　　wIndex

　　wLength

　　圖3 USB設(shè)置數(shù)據(jù)格式
　　BmRequestType：1字節(jié)，用來(lái)指定數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向，請(qǐng)求的類型，以及接收者。

　　bRequest：1字節(jié)，用來(lái)指定請(qǐng)求。

　　wValue：2字節(jié)，主機(jī)用來(lái)傳輸信息給設(shè)備，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

　　wIndex：2字節(jié)，主機(jī)用來(lái)傳輸信息給設(shè)備，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

　　wLength：2字節(jié)，包含數(shù)據(jù)階段中接下來(lái)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目。

　　以上字段的應(yīng)用已經(jīng)在程序注釋中標(biāo)出，在此不再贅述。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝及調(diào)用

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝

　　驅(qū)動(dòng)程序編譯完成后會(huì)生成一個(gè)名為USBDIO.SYS的文件，即USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，另外在使用向?qū)С绦騑izardDriver生成驅(qū)動(dòng)程序時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)名為USBDIO.INF的驅(qū)動(dòng)程序安裝程序，對(duì)此程序只需稍做修改就能正常使用，具體是將類改為USB，即Class=USB，由于本驅(qū)動(dòng)程序使用符號(hào)鏈接名打開(kāi)設(shè)備，所以刪除ClassGUID選項(xiàng)，注意設(shè)備標(biāo)識(shí)符必需為：%DeviceDesc%=USBDIO_DDI, USBVID_0471&PID_0821，其中0471是USB控制芯片的廠商識(shí)別碼，0821是USB設(shè)備標(biāo)識(shí)碼。

　　驅(qū)動(dòng)程序安裝過(guò)程是：將USB設(shè)備加電，連入計(jì)算機(jī)的USB接口，這時(shí)候會(huì)看到Windows操作系統(tǒng)提示發(fā)現(xiàn)新硬件，提問(wèn)是否安裝驅(qū)動(dòng)程序，選擇是，然后選擇驅(qū)動(dòng)程序所在文件夾，選擇文件USBDIO.INF即可完成安裝。

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用

　　為了完成對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，筆者使用VC++6.0編寫(xiě)了USB應(yīng)用程序包，程序包共由五個(gè)功能模塊組成，用戶通過(guò)調(diào)用這些模塊即可方便的完成對(duì)USB外設(shè)的控制及讀寫(xiě)，這些模塊如下：

　　1)int CTRLReadData(unsigned char usbSelect,unsigned char *rbuffer,unsigned char numData)，主要功能是讀取ISP1581控制端點(diǎn)0發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)rbuffer中。

　　2)int CTRLSendTestCommand(unsigned char usbSelect,unsigned short int testCommand)，主要功能是發(fā)送測(cè)試命令，變量testCommand定義了測(cè)試命令。

　　3) int CTRLSendDMACommand(unsigned char usbSelect,unsigned char dmaDirection,unsigned char ramSelect,unsigned long dmaLength)，主要功能是發(fā)送DMA傳輸命令，變量dmaDirection定義數(shù)據(jù)傳輸方向，ramSelect定義將要操作的USB外設(shè)的存儲(chǔ)器，dmaLength定義了數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)。

　　4)int DMARead(unsigned char usbSelect,unsigned char *rbuffer,int len,int waitTime)，主要功能是計(jì)算機(jī)批量讀取ISP1581中的數(shù)據(jù)，而ISP1581以DMA方式從外部RAM讀取數(shù)據(jù)。

　　5)int DMAWrite(unsigned char usbSelect, unsigned char *rbuffer, int len, int waitTime)，主要功能是計(jì)算機(jī)批量寫(xiě)數(shù)據(jù)到ISP1581，而ISP1581將以DMA方式寫(xiě)數(shù)據(jù)到外部RAM。

　　結(jié)語(yǔ)

　　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)是Windows編程中較難的一個(gè)方面，要求開(kāi)發(fā)者不但要有良好的Windows編程知識(shí)，還要掌握USB控制芯片工作原理、USB傳輸協(xié)議、USB固件等相關(guān)知識(shí)，使用DriverStudio3.2進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)可大大減少工作量和工作難度，本文所設(shè)計(jì)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，已經(jīng)應(yīng)用到某雷達(dá)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中，驅(qū)動(dòng)程序在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序控制下可以順利的發(fā)送各種測(cè)試命令，批量輸入或者輸出大量數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。