USB 接口驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

1 引言

　　隨著(zhù)微機技術(shù)水平的日益提高,傳統的計算機接口已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前計算機高速發(fā)展的需求,計算機業(yè)迫切需要一種新的通用型、高速總線(xiàn)接口,通用外設接口標準USB 就應運而生。

　　USB,全稱(chēng)是Universal Serial Bus(通用串行總線(xiàn)),是一種新型的、基于令牌的、高速的串行總線(xiàn)標準,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準[3],自1995年在Comdex 上亮相以來(lái)已廣泛地為各PC 廠(chǎng)家支持。

　　現在市場(chǎng)上幾乎所有的P C 機器都配備了US B 接口,USB 接口之所以能夠得到廣泛支持和快速普及,是因為它具備以下優(yōu)點(diǎn):

　　正由于上述優(yōu)點(diǎn), 開(kāi)發(fā)USB 接口的設備已成為一種發(fā)展趨勢。然而隨著(zhù)USB 技術(shù)的迅猛發(fā)展, 傳統的USB1 . 1 接口已經(jīng)不能適應用戶(hù)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 標準快40 倍左右,速度的提高對于用戶(hù)的最大好處就是意味著(zhù)用戶(hù)可以使用到更高效的外部設備, 而且具有多種速度的周邊設備都可以被連接到USB 2.0 的線(xiàn)路上,而且無(wú)需擔心數據傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應。

　　2 USB 驅動(dòng)程序設計

　　一個(gè)完整的USB 系統包括主機系統包括主機系統和USB 設備。

　　所有的傳輸事務(wù)都是由主機發(fā)起的。一個(gè)主機系統又可以分為以下幾個(gè)層次結構, 如圖1 所示。

　　USB 總線(xiàn)接口包括USB 主控制器和根集線(xiàn)器,其中USB 主控制器負責處理主機與設備之間電氣和協(xié)議層的互連,根集線(xiàn)器提供USB 設備連接點(diǎn)。USB 系統使用USB 主控制器來(lái)管理主機和USB 設備之間的數據傳輸,另外它也負責管理USB 資源,如帶寬等。應用軟件不能直接訪(fǎng)問(wèn)US B 設備硬件, 而通過(guò)US B 系統和USB 總線(xiàn)接口與USB 設備進(jìn)行交互。

圖1 USB 通信模型層次關(guān)系。

　　USB 設備包含一些向主機軟件提供一系列USB設備的特征和能力的信息的設備描述符, 用來(lái)配置設備和定位USB 設備驅動(dòng)程序。這些信息確保了主機以正確的方式訪(fǎng)問(wèn)設備。通常, 一個(gè)設備有一個(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,接口指出軟件應該如何訪(fǎng)問(wèn)硬件。

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

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

　　2.1 USB 驅動(dòng)程序結構

　　1) USB 驅動(dòng)程序體系結構

　　運行在核心態(tài)的USB 驅動(dòng)程序是基于WIN32 驅動(dòng)程序模型WDM(Windows Driver Model)的,它采用分層驅動(dòng)程序模型,由USB 總線(xiàn)驅動(dòng)程序和USB 功能驅動(dòng)程序兩部分組成, 總線(xiàn)驅動(dòng)程序由操作系統提供, 用戶(hù)只需要編寫(xiě)相應的功能驅動(dòng)程序即可。

　　2) 處理流程

　　因為I /O 管理器把每一個(gè)設備對用戶(hù)程序都抽象成文件,所以用戶(hù)程序通過(guò)調用文件操作API 函數就可以實(shí)現與驅動(dòng)程序中某個(gè)設備的通信。

　　用戶(hù)程序發(fā)送的請求由I /O 管理器轉換為具有不同主功能代碼的IRP ( I /O 請求包) 發(fā)送給功能驅動(dòng)程序。功能驅動(dòng)程序接收該IRP,在回調程序中根據IRP中包含的具體操作代碼, 構造相應的US B 請求, 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(xiàn)驅動(dòng)程序。USB 總線(xiàn)驅動(dòng)程序根據IRP 中所包含的USB 請求塊執行相應操作, 再將操作結果通過(guò)IRP返還給功能驅動(dòng)程序, 功能驅動(dòng)程序接收此IRP , 將操作結果通過(guò)IRP 返還I/O 管理器。最后,I/O 管理器將此IRP 中的操作結果返回給應用程序。至此, 應用程序對USB 設備的一次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 驅動(dòng)程序體系結構。

　　3 USB 設備驅動(dòng)程序中關(guān)鍵代碼實(shí)現

　　下面是以開(kāi)發(fā)的A R M 讀寫(xiě)驅動(dòng)程序為例, 介紹USB 驅動(dòng)程序中幾個(gè)關(guān)鍵例程的實(shí)現。本驅動(dòng)程序的主要功能是控制USB 設備上的ARM 并對ARM 板進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　1) 初始化函數 DriverEntry()

　　設備驅動(dòng)程序與應用程序不同,沒(méi)有main()或WinMain()函數,而是有一個(gè)名為DriverEntry()的入口函數,它通常完成一些初始化工作。當設備驅動(dòng)程序被加載時(shí),操作系統調用這個(gè)入口。

　　2) 創(chuàng )建設備函數 AddDevice()

　　大多數的PDO 都是在PnP 管理器調用該程序入口點(diǎn)時(shí)被創(chuàng )建的。插入新設備后, 系統啟動(dòng)時(shí), 總線(xiàn)枚舉器會(huì )搜索總線(xiàn)上的所有設備,自動(dòng)尋找并安裝設備的驅動(dòng)程序,并由驅動(dòng)程序中的處理PnP 功能模塊自動(dòng)處理AddDevice()。本程序使用CreateDevice()函數創(chuàng )建設備對象,再使用RegiSTerDevicelnterface()函數將設備組成一個(gè)特定的設備接口,然后通過(guò)AttachDeviceToDeviceStack()函數關(guān)聯(lián)設備棧。

　　3) ARM 的傳輸處理函數UsbTransmit()

　　該函數是實(shí)現本驅動(dòng)程序功能的關(guān)鍵, 它用來(lái)與ARM 進(jìn)行通信。分析發(fā)送的請求數據后根據命令的具體含義對ARM 進(jìn)行讀寫(xiě)操作。應用層通過(guò)調用標準的ARM 板函數來(lái)發(fā)送I/O 請求。

　　4 結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)支持USB 的個(gè)人電腦的普及,大量支持USB接口外設的不斷涌現, 以及USB 技術(shù)的發(fā)展和不斷完善, 因此基于USB 驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)也將成為這一發(fā)展趨勢的重中之重。本文介紹了USB 的通信模型, 分析了基于WDM 的USB 驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在,結合ARM驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)介紹了DDK 開(kāi)發(fā)環(huán)境的構建,最終結合實(shí)際系統完成了基于DDK 的USB 接口WDM 驅動(dòng)開(kāi)發(fā)和調試。