USB设备驱动程序的设计
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引言
USB总线是1995年微软、IBM等公司推出的一种新型通信标准总线，特点是速度快、价格低、独立供电、支持热插拔等，其版本从早期的1.0、1.1已经发展到目前的2.0版本，2.0版本的最高数据传输速度达到480Mbit/s，能满足包括视频在内的多种高速外部设备的数据传输要求，由于其众多的优点，USB总线越来越多的被应用到计算机与外设的接口中，芯片厂家也提供了多种USB接口芯片供设计者使用，为了开发出功能强大的USB设备，设计者往往需要自己开发USB设备驱动程序，驱动程序开发一直是WINDOWS开发中较难的一个方面，但是通过使用专门的驱动程序开发包能减小开发的难度，提高工作效率，本文使用Compuware Numega公司的DriverStudio3.2开发包，开发了基于PHILIPS公司USB2.0控制芯片ISP1581的USB设备驱动程序。
USB设备驱动程序的模型
图1 USB驱动程序模型
USB设备驱动程序是一种典型的WDM(Windows Driver Model)驱动程序，其程序模型如图1所示。用户应用程序工作在Windows操作系统的用户模式层，它不能直接访问USB设备，当需要访问时，通过调用操作系统的API(Application programming interface)函数生成I/O请求信息包(IRP)，IRP被传输到工作于内核模式层的设备驱动程序，并通过驱动程序完成与UBS外设通信。设备驱动程序包括两层：函数驱动程序层和总线驱动程序层，函数驱动程序一方面通过IRP及API函数与应用程序通信，另一方面调用相应的总线驱动程序，总线驱动程序完成和外设硬件通信。USB总线驱动程序已经由操作系统提供，驱动程序开发的重点是函数驱动程序。
USB设备驱动程序的设计
使用DriverStudio3.2开发USB设备驱动程序
该驱动程序的主要功能包括：从控制端点0读取规定个数的数据、向端点0发出控制命令、从端点2批量读数据、向端点2批量写数据，驱动程序的开发采用DriverStudio3.2驱动程序开发包及VC++6.0，使用开发包中的向导程序DriverWizard就可以方便的生成驱动程序框架、模块及部分程序源代码，开发者只需要在功能模块中加入自己的实现程序就能完成复杂的USB设备驱动程序设计，下面介绍使用DriverWizard生成ISP1581驱动程序的过程：
1)启动DriverWizard，选择DriverWorks Project创造一个名为USBDIO的VC++项目;
2)在驱动程序类型中选择WDM Driver，WDM Function Driver,在硬件设备所支持的总线类型中选择USB(WDM Only)，在USB Vendor ID(厂商识别码)中填写0741，在USB Product ID(产品识别码)中填写0821;
3)增加USB设备端点，设置端点2为批量输入/输出传输方式;
4)在驱动程序支持的功能项中选择Read、Write、Device Control、Cleanup;
5)选择自动产生批量读及批量写程序代码;
6)在I/O请求IRP处理方式中选择None，即IRP不排队;
7)在接口的打开方式中选择Symbolic link:UsbdioDevice，即应用程序以符号链接名打开设备;
8)定义应用程序调用DeviceIoControl函数对WDM驱动程序通信的控制命令，结果如图2所示。
图2 定义控制代码
9)最后选择完成并确认生成新的项目信息，向导程序就会在usbdio目录中生成一个名为USBDIO的项目文件，其中包括了ISP1581驱动程序框架、模块及部分源代码。
USB设备驱动程序的编程
在使用DriverWizard生成驱动程序框架、模块及部分程序源代码后，开发者只需完成图2中三个控制代码所对应的三个功能模块的编程：模块USBDIO_IOCTL_ID_CODE_Handler的功能是从控制端点0读取数据，模块USBDIO_IOCTL_TEST_COMMAND_Handler的功能是向控制端点0发送一个控制命令，模块USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND_Handler的功能是向控制端点0发送一个要求USB设备进行DMA传输的控制命令，下面是第一个模块的编程实例。
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();//设置读取的数据个数
pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(
(PUCHAR)I.IoctlBuffer(),//驱动程序存放读取的数据的内存区
numData,//wLength，读取的数据个数
0,
0x0c,//bRequest
0,//wValue
TRUE,//input
TRUE,
NULL,
0x0472,//wIndex,传输到固件程序的读数命令码
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;
}
对象I包含了应用程序下传的IRP内容，包括命令或数据等参数，函数BuildVendorRequest用来分配并初始化一个用于厂商请求的URB(USB Request Block)，该URB将作为下传IRP的一个参数，通过函数SubmitUrb发送给总线驱动程序，以便完成与硬件的通信。
在初始化URB时需要了解USB的传输方式及传输协议，该功能使用了USB的控制传输方式，该方式包括三个阶段：设置阶段、数据阶段和状态阶段，其中数据阶段可选，开发者主要关注设置阶段中的8个关键字节的定义，8字节分成了5个字段，定义了传输请求及相关信息，这8个字节的格式如图3所示。
bmRequestType
bRequest
wValue
wIndex
wLength
图3 USB设置数据格式
BmRequestType：1字节，用来指定数据流动的方向，请求的类型，以及接收者。
bRequest：1字节，用来指定请求。
wValue：2字节，主机用来传输信息给设备，开发者可以根据情况自己定义。
wIndex：2字节，主机用来传输信息给设备，开发者可以根据情况自己定义。
wLength：2字节，包含数据阶段中接下来要传输的数据字节数目。
以上字段的应用已经在程序注释中标出，在此不再赘述。
USB设备驱动程序的安装及调用
USB设备驱动程序的安装
驱动程序编译完成后会生成一个名为USBDIO.SYS的文件，即USB设备驱动程序，另外在使用向导程序WizardDriver生成驱动程序时会产生一个名为USBDIO.INF的驱动程序安装程序，对此程序只需稍做修改就能正常使用，具体是将类改为USB，即Class=USB，由于本驱动程序使用符号链接名打开设备，所以删除ClassGUID选项，注意设备标识符必需为：%DeviceDesc%=USBDIO_DDI, USBVID_0471&PID_0821，其中0471是USB控制芯片的厂商识别码，0821是USB设备标识码。
驱动程序安装过程是：将USB设备加电，连入计算机的USB接口，这时候会看到Windows操作系统提示发现新硬件，提问是否安装驱动程序，选择是，然后选择驱动程序所在文件夹，选择文件USBDIO.INF即可完成安装。
USB设备驱动程序的调用
为了完成对驱动程序的调用，笔者使用VC++6.0编写了USB应用程序包，程序包共由五个功能模块组成，用户通过调用这些模块即可方便的完成对USB外设的控制及读写，这些模块如下：
1)int CTRLReadData(unsigned char usbSelect,unsigned char *rbuffer,unsigned char numData)，主要功能是读取ISP1581控制端点0发来的数据，数据存放在缓冲区rbuffer中。
2)int CTRLSendTestCommand(unsigned char usbSelect,unsigned short int testCommand)，主要功能是发送测试命令，变量testCommand定义了测试命令。
3) int CTRLSendDMACommand(unsigned char usbSelect,unsigned char dmaDirection,unsigned char ramSelect,unsigned long dmaLength)，主要功能是发送DMA传输命令，变量dmaDirection定义数据传输方向，ramSelect定义将要操作的USB外设的存储器，dmaLength定义了数据传输总数。
4)int DMARead(unsigned char usbSelect,unsigned char *rbuffer,int len,int waitTime)，主要功能是计算机批量读取ISP1581中的数据，而ISP1581以DMA方式从外部RAM读取数据。
5)int DMAWrite(unsigned char usbSelect, unsigned char *rbuffer, int len, int waitTime)，主要功能是计算机批量写数据到ISP1581，而ISP1581将以DMA方式写数据到外部RAM。
结语
USB设备驱动程序开发是Windows编程中较难的一个方面，要求开发者不但要有良好的Windows编程知识，还要掌握USB控制芯片工作原理、USB传输协议、USB固件等相关知识，使用DriverStudio3.2进行USB设备驱动程序开发可大大减少工作量和工作难度，本文所设计的USB设备驱动程序，已经应用到某雷达的自动测试设备中，驱动程序在计算机应用程序控制下可以顺利的发送各种测试命令，批量输入或者输出大量数据，达到设计要求。
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