USB 接口驅(qū)動(dòng)程序開發(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 上亮相以來已廣泛地為各PC 廠家支持。

　　現(xiàn)在市場上幾乎所有的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), 開發(fā)USB 接口的設(shè)備已成為一種發(fā)展趨勢。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US B 設(shè)備硬件, 而通過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)備對用戶程序都抽象成文件,所以用戶程序通過調(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 請求塊執(zhí)行相應(yīng)操作, 再將操作結(jié)果通過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)

　　下面是以開發(fā)的A R M 讀寫驅(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ARM 板進(jìn)行讀寫操作。

　　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, 它用來與ARM 進(jìn)行通信。分析發(fā)送的請求數(shù)據(jù)后根據(jù)命令的具體含義對ARM 進(jìn)行讀寫操作。應(yīng)用層通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的ARM 板函數(shù)來發(fā)送I/O 請求。

　　4 結(jié)束語

　　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(qū)動(dòng)開發(fā)的關(guān)鍵所在,結(jié)合ARM驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)介紹了DDK 開發(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)開發(fā)和調(diào)試。