USB 接口驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

1 引言

　　隨著微機(jī)技術(shù)水平的日益提高,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口已經(jīng)不能滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的需求,計(jì)算機(jī)業(yè)迫切需要一種新的通用型、高速總線接口,通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)USB 就應(yīng)運(yùn)而生。

　　USB,全稱是Universal Serial Bus(通用串行總線),是一種新型的、基于令牌的、高速的串行總線標(biāo)準(zhǔn),由Compaq、Microsoft、Intel、IBM 等七家公司共同開(kāi)發(fā)的, 旨在解決日益增加的PC 外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)[3],自1995年在Comdex 上亮相以來(lái)已廣泛地為各PC 廠家支持。

　　現(xiàn)在市場(chǎng)上幾乎所有的P C 機(jī)器都配備了US B 接口,USB 接口之所以能夠得到廣泛支持和快速普及,是因?yàn)樗邆湟韵聝?yōu)點(diǎn):

　　正由于上述優(yōu)點(diǎn), 開(kāi)發(fā)USB 接口的設(shè)備已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。然而隨著USB 技術(shù)的迅猛發(fā)展, 傳統(tǒng)的USB1 . 1 接口已經(jīng)不能適應(yīng)用戶的需求, 于是在1 9 9 9年在I nt e l 的開(kāi)發(fā)者論壇大會(huì)上又提出了USB2 . 0 技術(shù), 使得US B 不僅支持1 . 5Mb / s 的“低速”, 傳輸和12Mb/s 的“全速”傳輸,而且支持480Mb/s 的“高速”

　　傳輸,比USB1.1 標(biāo)準(zhǔn)快40 倍左右,速度的提高對(duì)于用戶的最大好處就是意味著用戶可以使用到更高效的外部設(shè)備, 而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到USB 2.0 的線路上,而且無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應(yīng)。

　　2 USB 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　一個(gè)完整的USB 系統(tǒng)包括主機(jī)系統(tǒng)包括主機(jī)系統(tǒng)和USB 設(shè)備。

　　所有的傳輸事務(wù)都是由主機(jī)發(fā)起的。一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)又可以分為以下幾個(gè)層次結(jié)構(gòu), 如圖1 所示。

　　USB 總線接口包括USB 主控制器和根集線器,其中USB 主控制器負(fù)責(zé)處理主機(jī)與設(shè)備之間電氣和協(xié)議層的互連,根集線器提供USB 設(shè)備連接點(diǎn)。USB 系統(tǒng)使用USB 主控制器來(lái)管理主機(jī)和USB 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,另外它也負(fù)責(zé)管理USB 資源,如帶寬等。應(yīng)用軟件不能直接訪問(wèn)US B 設(shè)備硬件, 而通過(guò)US B 系統(tǒng)和USB 總線接口與USB 設(shè)備進(jìn)行交互。

圖1 USB 通信模型層次關(guān)系。

　　USB 設(shè)備包含一些向主機(jī)軟件提供一系列USB設(shè)備的特征和能力的信息的設(shè)備描述符, 用來(lái)配置設(shè)備和定位USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這些信息確保了主機(jī)以正確的方式訪問(wèn)設(shè)備。通常, 一個(gè)設(shè)備有一個(gè)或多個(gè)配置( C o n f i g u r a t i o n ) 來(lái)控制其行為。配置是接口( Int er fa ce )的集合,接口指出軟件應(yīng)該如何訪問(wèn)硬件。

　　接口又是端點(diǎn)(endpoint)的集合,每一個(gè)與USB 交換數(shù)據(jù)的硬件就為端點(diǎn), 它是作為通信管道的一個(gè)終點(diǎn)。

　　圖1 顯示了一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)的通信模型, 它表明了端點(diǎn)和管道所扮演的角色。

　　2.1 USB 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

　　1) USB 驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)

　　運(yùn)行在核心態(tài)的USB 驅(qū)動(dòng)程序是基于WIN32 驅(qū)動(dòng)程序模型WDM(Windows Driver Model)的,它采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型,由USB 總線驅(qū)動(dòng)程序和USB 功能驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成, 總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供, 用戶只需要編寫(xiě)相應(yīng)的功能驅(qū)動(dòng)程序即可。

　　2) 處理流程

　　因?yàn)镮 /O 管理器把每一個(gè)設(shè)備對(duì)用戶程序都抽象成文件,所以用戶程序通過(guò)調(diào)用文件操作API 函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備的通信。

　　用戶程序發(fā)送的請(qǐng)求由I /O 管理器轉(zhuǎn)換為具有不同主功能代碼的IRP ( I /O 請(qǐng)求包) 發(fā)送給功能驅(qū)動(dòng)程序。功能驅(qū)動(dòng)程序接收該IRP,在回調(diào)程序中根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼, 構(gòu)造相應(yīng)的US B 請(qǐng)求, 把它放到一個(gè)新的IRP 中,并把這個(gè)新的IRP 傳遞給USB總線驅(qū)動(dòng)程序。USB 總線驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)IRP 中所包含的USB 請(qǐng)求塊執(zhí)行相應(yīng)操作, 再將操作結(jié)果通過(guò)IRP返還給功能驅(qū)動(dòng)程序, 功能驅(qū)動(dòng)程序接收此IRP , 將操作結(jié)果通過(guò)IRP 返還I/O 管理器。最后,I/O 管理器將此IRP 中的操作結(jié)果返回給應(yīng)用程序。至此, 應(yīng)用程序?qū)SB 設(shè)備的一次I /O 操作完成, 其處理流程如圖2 所示。

圖2 W D M 型的U S B 驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)。

　　3 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

　　下面是以開(kāi)發(fā)的A R M 讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔? 介紹USB 驅(qū)動(dòng)程序中幾個(gè)關(guān)鍵例程的實(shí)現(xiàn)。本驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是控制USB 設(shè)備上的ARM 并對(duì)ARM 板進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　1) 初始化函數(shù) DriverEntry()

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序不同,沒(méi)有main()或WinMain()函數(shù),而是有一個(gè)名為DriverEntry()的入口函數(shù),它通常完成一些初始化工作。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被加載時(shí),操作系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)入口。

　　2) 創(chuàng)建設(shè)備函數(shù) AddDevice()

　　大多數(shù)的PDO 都是在PnP 管理器調(diào)用該程序入口點(diǎn)時(shí)被創(chuàng)建的。插入新設(shè)備后, 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí), 總線枚舉器會(huì)搜索總線上的所有設(shè)備,自動(dòng)尋找并安裝設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,并由驅(qū)動(dòng)程序中的處理PnP 功能模塊自動(dòng)處理AddDevice()。本程序使用CreateDevice()函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象,再使用RegiSTerDevicelnterface()函數(shù)將設(shè)備組成一個(gè)特定的設(shè)備接口,然后通過(guò)AttachDeviceToDeviceStack()函數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)備棧。

　　3) ARM 的傳輸處理函數(shù)UsbTransmit()

　　該函數(shù)是實(shí)現(xiàn)本驅(qū)動(dòng)程序功能的關(guān)鍵, 它用來(lái)與ARM 進(jìn)行通信。分析發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)后根據(jù)命令的具體含義對(duì)ARM 進(jìn)行讀寫(xiě)操作。應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的ARM 板函數(shù)來(lái)發(fā)送I/O 請(qǐng)求。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著支持USB 的個(gè)人電腦的普及,大量支持USB接口外設(shè)的不斷涌現(xiàn), 以及USB 技術(shù)的發(fā)展和不斷完善, 因此基于USB 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)也將成為這一發(fā)展趨勢(shì)的重中之重。本文介紹了USB 的通信模型, 分析了基于WDM 的USB 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在,結(jié)合ARM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)介紹了DDK 開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建,最終結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)完成了基于DDK 的USB 接口WDM 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試。