USB設備驅動程序開發

　　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已經發展到目前的2.0版本，2.0版本的最高數據傳輸速度達到480Mbit/s，能滿足包括視頻在內的多種高速外部設備的數據傳輸要求，由于其眾多的優點，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，為了開發出功能強大的USB設備，設計者往往需要自己開發USB設備驅動程序，驅動程序開發一直是Windows開發中較難的一個方面，但是通過使用專門的驅動程序開發包能減小開發的難度，提高工作效率，本文使用Compuware Numega公司的DriverStudio3.2開發包，開發了基于NXP公司USB2.0控制芯片ISP1581的USB設備驅動程序。

　　USB設備驅動程序的模型

　　USB設備驅動程序是一種典型的WDM(Windows Driver Model)驅動程序，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，通過調用操作系統的API(Application programming interface)函數生成I/O請求信息包(IRP)，IRP被傳輸到工作于內核模式層的設備驅動程序，并通過驅動程序完成與UBS外設通信。設備驅動程序包括兩層：函數驅動程序層和總線驅動程序層，函數驅動程序一方面通過IRP及API函數與應用程序通信，另一方面調用相應的總線驅動程序，總線驅動程序完成和外設硬件通信。USB總線驅動程序已經由操作系統提供，驅動程序開發的重點是函數驅動程序。

　　USB設備驅動程序的設計

　　使用DriverStudio3.2開發USB設備驅動程序

　　該驅動程序的主要功能包括：從控制端點0讀取規定個數的數據、向端點0發出控制命令、從端點2批量讀數據、向端點2批量寫數據，驅動程序的開發采用DriverStudio3.2驅動程序開發包及VC++6.0，使用開發包中的向導程序DriverWizard就可以方便的生成驅動程序框架、模塊及部分程序源代碼，開發者只需要在功能模塊中加入自己的實現程序就能完成復雜的USB設備驅動程序設計，下面介紹使用DriverWizard生成ISP1581驅動程序的過程：

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

　　(2)在驅動程序類型中選擇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)在驅動程序支持的功能項中選擇Read、Write、Device Control、Cleanup;

　　(5)選擇自動產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)定義應用程序調用DeviceIo Control 函數對WDM驅動程序通信的控制命令，結果如圖2所示。

　　(9)最后選擇完成并確認生成新的項目信息，向導程序就會在usbdio目錄中生成一個名為USBDIO的項目文件，其中包括了ISP1581驅動程序框架、模塊及部分源代碼。

USB設備驅動程序的編程

　　在使用DriverWizard生成驅動程序框架、模塊及部分程序源代碼后，開發者只需完成圖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讀取數據，模塊USBDIO_IOCTL_ TEST_COMMAND_Handler的功能是向控制端點0發送一個控制命令，模塊USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND _Handler的功能是向控制端點0發送一個要求USB設備進行DMA傳輸的控制命令，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();

　　//設置讀取的數據個數

　　pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(

　　(PUCHAR)I.IoctlBuffer(),//驅動程

　　序存放讀取的數據的內存區

　　numData,//wLength，讀取的數據個數

　　0,

　　0x0c,//bRequest 0,//wValue

　　TRUE,//input

　　TRUE,

　　NULL,

　　0x0472,//wIndex,傳輸到固件程序

　　的讀數命令碼

　　URB_FUNCTION_VENDOR_ENDPOINT,

　　NULL

　　);

　　if(pUrb==NULL)

　　{

　　I.Information() =0;

　　status=STATUS_INSUFFICIENT_

　　RESOURCES;

　　}

　　else

　　{

　　I.Information() =numData;

　　tatus=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內容，包括命令或數據等參數，函數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，通過函數SubmitUrb發送給總線驅動程序，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、數據階段和狀態階段，其中數據階段可選，開發者主要關注設置階段中的8個關鍵字節的定義，8字節分成了5個字段，定義了傳輸請求及相關信息，這8個字節的格式如圖3所示。

　　BmRequestType：1字節，用來指定數據流動的方向，請求的類型，以及接收者。

　　bRequest：1字節，用來指定請求。

　　wValue：2字節，主機用來傳輸信息給設備，開發者可以根據情況自己定義。

　　wIndex：2字節，主機用來傳輸信息給設備，開發者可以根據情況自己定義。

　　wLength：2字節，包含數據階段中接下來要傳輸的數據字節數目。

　　以上字段的應用已經在程序注釋中標出，在此不再贅述。

　　USB設備驅動程序的安裝及調用

　　USB設備驅動程序的安裝

　　驅動程序編譯完成后會生成一個名為USBDIO.SYS的文件，即USB設備驅動程序，另外在使用向導程序WizardDriver生成驅動程序時會產生一個名為USBDIO.INF的驅動程序安裝程序，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, USB\VID_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操作系統提示發現新硬件，提問是否安裝驅動程序，選擇是，然后選擇驅動程序所在文件夾，選擇文件USBDIO.INF即可完成安裝。

　　USB設備驅動程序的調用

　　為了完成對驅動程序的調用，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。

　　● int CTRLReadData(unsigned char usbSelect，unsigned char *rbuffer，unsigned char numData)，主要功能是讀取ISP1581控制端點0發來的數據，數據存放在緩沖區rbuffer中。

　　● int CTRLSendTestCommand (unsigned char usbSelect，unsigned short int testCommand)，主要功能是發送測試命令，變量testCommand定義了測試命令。

　　● int CTRLSendDMACommand (unsigned char usbSelect，unsigned char dmaDirection，unsigned char ramSelect,unsigned long dmaLength)，主要功能是發送DMA傳輸命令，變量dmaDirection定義數據傳輸方向，ramSelect定義將要操作的USB外設的存儲器，dmaLength定義了數據傳輸總數。

　　● 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中的數據，而ISP1581以DMA方式從外部RAM讀取數據。

　　● int DMAWrite(unsigned char usbSelect，unsigned char *rbuffer，int len， int waitTime)，主要功能是計算機批量寫數據到ISP1581，而ISP1581將以DMA方式寫數據到外部RAM。