USB設備驅(qū)動程序的設計

　　引言

　　USB總線是1995年微軟、IBM等公司推出的一種新型通信標準總線，特點是速度快、價格低、獨立供電、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)傳輸速度達到480Mbit/s，能滿足包括視頻在內(nèi)的多種高速外部設備的數(shù)據(jù)傳輸要求，由于其眾多的優(yōu)點，USB總線越來越多的被應用到計算機與外設的接口中，芯片廠家也提供了多種USB接口芯片供設計者使用，為了開發(fā)出功能強大的USB設備，設計者往往需要自己開發(fā)USB設備驅(qū)動程序，驅(qū)動程序開發(fā)一直是WINDOWS開發(fā)中較難的一個方面，但是通過使用專門的驅(qū)動程序開發(fā)包能減小開發(fā)的難度，提高工作效率，本文使用Compuware Numega公司的DriverStudio3.2開發(fā)包，開發(fā)了基于PHILIPS公司USB2.0控制芯片ISP1581的USB設備驅(qū)動程序。

　　USB設備驅(qū)動程序的模型

　　圖1 USB驅(qū)動程序模型
　　USB設備驅(qū)動程序是一種典型的WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動程序，其程序模型如圖1所示。用戶應用程序工作在Windows操作系統(tǒng)的用戶模式層，它不能直接訪問USB設備，當需要訪問時，通過調(diào)用操作系統(tǒng)的API(Application programming interface)函數(shù)生成I/O請求信息包(IRP)，IRP被傳輸?shù)焦ぷ饔趦?nèi)核模式層的設備驅(qū)動程序，并通過驅(qū)動程序完成與UBS外設通信。設備驅(qū)動程序包括兩層：函數(shù)驅(qū)動程序?qū)雍涂偩€驅(qū)動程序?qū)?，函?shù)驅(qū)動程序一方面通過IRP及API函數(shù)與應用程序通信，另一方面調(diào)用相應的總線驅(qū)動程序，總線驅(qū)動程序完成和外設硬件通信。USB總線驅(qū)動程序已經(jīng)由操作系統(tǒng)提供，驅(qū)動程序開發(fā)的重點是函數(shù)驅(qū)動程序。

　　USB設備驅(qū)動程序的設計

　　使用DriverStudio3.2開發(fā)USB設備驅(qū)動程序

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

　　1)啟動DriverWizard，選擇DriverWorks Project創(chuàng)造一個名為USBDIO的VC++項目;

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

　　3)增加USB設備端點，設置端點2為批量輸入/輸出傳輸方式;

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

　　5)選擇自動產(chǎn)生批量讀及批量寫程序代碼;

　　6)在I/O請求IRP處理方式中選擇None，即IRP不排隊;

　　7)在接口的打開方式中選擇Symbolic link:UsbdioDevice，即應用程序以符號鏈接名打開設備;

　　8)定義應用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)對WDM驅(qū)動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生成新的項目信息，向?qū)С绦蚓蜁趗sbdio目錄中生成一個名為USBDIO的項目文件，其中包括了ISP1581驅(qū)動程序框架、模塊及部分源代碼。

　　USB設備驅(qū)動程序的編程

　　在使用DriverWizard生成驅(qū)動程序框架、模塊及部分程序源代碼后，開發(fā)者只需完成圖2中三個控制代碼所對應的三個功能模塊的編程：模塊USBDIO_IOCTL_ID_CODE_Handler的功能是從控制端點0讀取數(shù)據(jù)，模塊USBDIO_IOCTL_TEST_COMMAND_Handler的功能是向控制端點0發(fā)送一個控制命令，模塊USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND_Handler的功能是向控制端點0發(fā)送一個要求USB設備進行DMA傳輸?shù)目刂泼?，下面是第一個模塊的編程實例。

　　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();//設置讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)

　　pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(

　　(PUCHAR)I.IoctlBuffer(),//驅(qū)動程序存放讀取的數(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;

　　}

　　對象I包含了應用程序下傳的IRP內(nèi)容，包括命令或數(shù)據(jù)等參數(shù)，函數(shù)BuildVendorRequest用來分配并初始化一個用于廠商請求的URB(USB Request Block)，該URB將作為下傳IRP的一個參數(shù)，通過函數(shù)SubmitUrb發(fā)送給總線驅(qū)動程序，以便完成與硬件的通信。

　　在初始化URB時需要了解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，該方式包括三個階段：設置階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段，其中數(shù)據(jù)階段可選，開發(fā)者主要關注設置階段中的8個關鍵字節(jié)的定義，8字節(jié)分成了5個字段，定義了傳輸請求及相關信息，這8個字節(jié)的格式如圖3所示。

　　bmRequestType

　　bRequest

　　wValue

　　wIndex

　　wLength

　　圖3 USB設置數(shù)據(jù)格式
　　BmRequestType：1字節(jié)，用來指定數(shù)據(jù)流動的方向，請求的類型，以及接收者。

　　bRequest：1字節(jié)，用來指定請求。

　　wValue：2字節(jié)，主機用來傳輸信息給設備，開發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

　　wIndex：2字節(jié)，主機用來傳輸信息給設備，開發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

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

　　以上字段的應用已經(jīng)在程序注釋中標出，在此不再贅述。

　　USB設備驅(qū)動程序的安裝及調(diào)用

　　USB設備驅(qū)動程序的安裝

　　驅(qū)動程序編譯完成后會生成一個名為USBDIO.SYS的文件，即USB設備驅(qū)動程序，另外在使用向?qū)С绦騑izardDriver生成驅(qū)動程序時會產(chǎn)生一個名為USBDIO.INF的驅(qū)動程序安裝程序，對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)動程序使用符號鏈接名打開設備，所以刪除ClassGUID選項，注意設備標識符必需為：%DeviceDesc%=USBDIO_DDI, USBVID_0471&PID_0821，其中0471是USB控制芯片的廠商識別碼，0821是USB設備標識碼。

　　驅(qū)動程序安裝過程是：將USB設備加電，連入計算機的USB接口，這時候會看到Windows操作系統(tǒng)提示發(fā)現(xiàn)新硬件，提問是否安裝驅(qū)動程序，選擇是，然后選擇驅(qū)動程序所在文件夾，選擇文件USBDIO.INF即可完成安裝。

　　USB設備驅(qū)動程序的調(diào)用

　　為了完成對驅(qū)動程序的調(diào)用，筆者使用VC++6.0編寫了USB應用程序包，程序包共由五個功能模塊組成，用戶通過調(diào)用這些模塊即可方便的完成對USB外設的控制及讀寫，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0發(fā)來的數(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)送測試命令，變量testCommand定義了測試命令。

　　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外設的存儲器，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)，主要功能是計算機批量讀取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)，主要功能是計算機批量寫數(shù)據(jù)到ISP1581，而ISP1581將以DMA方式寫數(shù)據(jù)到外部RAM。

　　結(jié)語

　　USB設備驅(qū)動程序開發(fā)是Windows編程中較難的一個方面，要求開發(fā)者不但要有良好的Windows編程知識，還要掌握USB控制芯片工作原理、USB傳輸協(xié)議、USB固件等相關知識，使用DriverStudio3.2進行USB設備驅(qū)動程序開發(fā)可大大減少工作量和工作難度，本文所設計的USB設備驅(qū)動程序，已經(jīng)應用到某雷達的自動測試設備中，驅(qū)動程序在計算機應用程序控制下可以順利的發(fā)送各種測試命令，批量輸入或者輸出大量數(shù)據(jù)，達到設計要求。