长春德峰:用DriverStudio开发WDM型USB设备驱

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1 引言
随着微机技术水平的日益提高，传统的计算接口已经不能满足当前计算机高速发展的需求，计算机业界迫切需要新的通用型、高速总线接口。通用外设接口标准USB应运而生。USB,全称为通用串行总线（Universal Serial Bus），它是Compaq、IBM等PC大厂商联合开发的一种新型的、基于令牌的、高速的串行总线标准。开发者要设计USB设备接口，就必须首先了解USB协议，在此基础上有针对性的开发USB设备驱动程序。
2 USB简介
在众多的PC机总线中，USB以其突出的优点独树一帜：① 使用方便。支持热拔插，不涉及中断请求（IRQ）冲突等问题，能真正做到“即插即用”。②传输速率高。目前的USB 2.0协议速度高达480Mbps 。③易于扩展。通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。④使用灵活。USB共有４种传输模式：控制(control)、同步(Synchronization)、中断(interrupt)、批量(bulk)，以适应不同设备的需要。⑤独立供电。正由于上述优点，开发USB接口的设备已成为一种发展趋势。
一个完整的USB系统包括主机系统和USB设备。所有的传输事务都是由主机发起的。一个主机系统又可以分为以下几个层次结构，如图1所示：
图1 USB 互连通信模型
USB总线接口包括USB主控制器和根集线器，其中USB主控制器负责处理主机与设备之间电气和协议层的互连，根集线器提供USB设备连接点。USB系统使用USB主控制器来管理主机和USB设备之间的数据传输，另外它也负责管理USB资源,如带宽等。应用
软件不能直接访问USB设备硬件，而通过USB系统和USB总线接口与USB设备进行交互。
USB设备包含一些向主机软件提供一系列USB设备的特征和能力的信息的设备描述符，用来配置设备和定位USB设备驱动程序。这些信息确保了主机以正确的方式访问设备。通常，一个设备有一个或多个配置(Configuration)来控制其行为。配置是接口(Interface)的集合，接口指出软件应该如何访问硬件。接口又是端点(endpoint)的集合，每一个与USB交换数据的硬件就为端点，它是作为通信管道的一个终点。图1显示了一个多层次结构的通信模型，它表明了端点和管道所扮演的角色。
3 WDM驱动程序和USB驱动程序的分层结构
设备驱动程序实际上是指一系列控制硬件设备的函数，是操作系统中控制和连接硬件的关键模块。它提供连接到计算机的硬件设备的软件接口。
3.1 WDM 驱动程序介绍
WDM(Win32 Driver Model)是Microsoft公司力推的一种符合Windows2k/XP下的内核模式驱动程序的分层体系结构的驱动程序模式。它源于 Windows NT的分层32位设备驱动程序模型，它支持更多的特性，如即插即用（ PnP ，Plug and Play ）、电源管理（ PM ，Power  Management ）、Windows管理诊断（ WMI ，Windows  Management  Instrumentation ）和 NT 事件。它为Windows操作系统的设备驱动程序提供了统一的框架，在Windows平台上，WDM将成为主流的驱动模式。
WDM引入了功能设备对象FDO(Function Device Object)与物理设备对象PDO(Physical Device Object)两个新类来描述硬件，一个PDO对应一个真实的硬件。一个硬件只允许有一个PDO，却可以拥有多个FDO，在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的PDO和FDO。
WDM是通过一个128位的全局唯一标识符(GUID)实现驱动程序的识别。应用程序与WDM驱动程序通信时，应用程序将每用户请求形成I/O请求包(IRP)发送到驱动程序。驱动程序识别出IRP请求后指挥硬件执行相应操作。
3.2开发WDM驱动程序的方法
目前开发WDM驱动程序的方法有三种：
①使用 Microsoft 的 Windows2000 DDK工具开发。②使用 KRFTech 公司的 WinDriver 。③使用 NuMega 公司的 DriverStudio 。
3.3 WDM型的USB驱动程序结构
对于USB设备来说，其WDM驱动程序分为USB底层（总线）驱动程序和USB功能(设备)驱动程序。USB驱动程序符合Windows 2000下的内核模式驱动程序的分层体系结构，如图2所示：
图2  WDM型的USB驱动程序体系结构
USB底层驱动程序由操作系统提供，负责与实际的硬件打交道，实现烦琐的底层通信。USB功能驱动程序由设备开发者编写，不对实际的硬件进行操作，而是通过向USB底层驱动程序发送包含URB（USB Request Block，请求块）的IRP，来实现对USB设备信息的发送和接收。采用这种分层驱动程序的设计方法有两个优点：(1)多个USB设备可以通过USB底层驱动程序来协调它们的工作。(2)编写分层驱动程序较之编写单一驱动程序相对简单，且可以节省内存和资源，不易出错。
USB驱动程序工作简述如下：当应用程序想对USB设备进行I/O操作，它需调用Windows API函数，I/O管理器将此请求构造成一个合适的I/O请求包（IRP）并把它传递给USB功能驱动程序。USB功能驱动程序接收到这个IRP后，根据IPR中包含的具体操作代码构造相应USB请求块（URB），并把此URB放到一个新的IRP中，然后把它传递给USB底层驱动程序。USB底层驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作，并把操作的结果返回给USB功能驱动程序。USB功能驱动程序接收到此返回的IRP后，将操作结果通过IRP返还给I/O管理器，最后I/O管理器将此IRP操作结果传回给应用程序，至此应用程序对设备的一次I/O操作完成。
4 用Driver Studio工具包开发WDM型的USB设备驱动程序
前文所提及的WDM驱动程序开发方法，笔者都曾尝试过。个人认为用DriverStudio开发工具包来开发USB驱动程序行之有效。其中的Driver Wizard是创建WDM驱动程序框架的一个很好的工具，后文将介绍用它来创建USB设备驱动程序的基本框架。
4.1搭建开发平台
由于利用 DriverStudio 开发WDM驱动程序在搭建开发平台的过程中对软件的安装顺序要求颇高，在开发过程中我也曾因为安装顺序的颠倒而失败。在实践中总结了以下的安装步骤，有必要在此作以介绍。
①在已装了Windows 2000 操作系统的机子上安装 Microsoft Visual C++6.0。 ②安装  Win2000 DDK 。③安装 NuMega DriverStudio 2.0 ( or 2.6 ) 驱动程序开发工具包。它包含DriverWorks（ 用于开发内核模式WDM驱动程序 ）、SoftICE（ 用于调试WDM驱动程序 ）等开发工具。④由于DriverWorks 所用的类库是对 DDK 函数的封装，必须在 VC中编译，创建自己的库文件。⑤设置 DDK 路径。
4.2 利用DriverStudio 的DriverWorks生成USB设备驱动程序框架
驱动程序开发平台搭建成功后，我们可利用驱动程序生成向导Driver Wizard，根据硬件设置较为容易的生成USB设备驱动程序的大体框架。本人的设置如下：①选择WDM的驱动程序类型和Windows 2000运行平台。②选择USB总线类型，系统选择的USB芯片是Philip公司的ISP1581，填写它的VID（供应商ID）和PID（设备ID），这些信息由芯片的供应商提供。③增加端点1和端点2，它们分别具有IN和OUT属性。④根据需要选择对设备的操作有：Read、Write、Device Control和CleanUp。⑤选择给端点2产生BULK Read和Write的代码, 向导会自动产生一套对端点2进行读、写的代码。⑥设置驱动程序的属性，采用WDM接口；在选取读写方式时应遵循一条原则：需要快速传送大量数据时，用 Direct I/O ，反之用 Buffer I/O ,这里选择BufferI/O；由于无特殊的电源需求，故选用系统默认的Manage Power For This Device。⑧增加IOCTL接口，在其生成的代码框架中加入自己的操作，以实现一个完整的USB设备驱动程序。最后就生成了一个WDM型的USB设备驱动程序框架和一个测试该驱动程序的测试程序大体框架。然后在其中添加需要的功能代码。
4.3 USB设备驱动程序中的关键例程代码实现
下面以我们的驱动程序为例，介绍USB驱动程序开发中的几个关键例程的实现。本驱动程序的主要功能是控制USB设备上LED灯通断并且对设备进行读写。
4.3.1初始化例程 DriverEntry（）
设备驱动程序与应用程序不同，它没有main()或WinMain（）函数，而是有一个名为DriverEntry（）的入口函数，它通常完成一些初始化工作。当设备驱动程序被加载时，操作系统调用这个入口。在使用DriverWizard 创建的驱动程序基本框架中，DriverEntry（）函数已经写好了，无需添写代码。在该例程中，驱动程序要向操作系统登记并注册一些消息处理器，通过RegistryPath来找到位于注册表中的驱动程序参数，当驱动程序正确安装后，在注册表KEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Service 下可以找到MyUSB 项。而用DDK编写该入口函数还需初始化Dispatch（分派）例程入口。
4.3.2创建设备例程 AddDevice（）
大多数的PDO 都是在 PnP 管理器调用该程序入口点时被创建的。插入新设备后，系统启动时，总线枚举器会发现总线上的所有设备，会自动寻找并安装设备的驱动程序，并由驱动程序中的处理 PnP 功能模块自动处理  AddDevice() 例程及其他PnP消息。此例程使用IoCreateDevice() 函数创建设备对象，再使用 IoRegisterDeviceInterface() 函数将设备组成为一个特定的设备接口，然后使用IoAttachDeviceToDeviceStack() 函数关联设备栈。
NTSTATUS MyUSBDevice::AddDevice( PDEVICE_OBJECT Pdo )
{ // 产生一个DDK中KDevice类新的设备对象
MyUSBDevice *pDevice = new (
static cast( KUnitizedName(L“MyUSBDevice”，m_Unit) ),// 设备名
FILE_DEVICE_UNKNOWN，                               // 设备类型
NULL，                                                 // 指针链接名
0，                                                  // 设备特征标志位
DO_BUFFERED_IO| DO_POWER_PAGABLE）；             // I/O传输方式
MyUSBDevice(Pdo, m_Unit)；
if ( pDevice == NULL )
{
return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES；
}
NTSTATUS status = devices -> ConstructorStatus()；
if ( !NT_SUCCESS(status) )                // 不成功，返回错误状态并删除指针
{
delete pDevice；
}
else     // 如果成功，向系统报考设备的电源状态变化为PowerDeviceD0
{
m_Unit++；
pDevice -> ReportNewDevicePowerState( PowerDeviceD0 )；
}
return status；
}
4.3.3 LED控制处理例程 MyUSB_IOCTL_LED_Handler()
该例程是实现本驱动程序功能的关键例程，它是用来控制设备上的LED灯通断，主要利用USB Vendor Request来向设备传送。其中，request=1的时候表示让LED亮，request=0的时候让LED灭。它是通过DeviceControl由上层应用程序传下来。实现代码如下：
NTSTATUS MyUSBDevice::MyUSB_IOCTL_LED_Handler(KIrp I)
{
NTSTATUS status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
//检查输入参数是否正确，如果不正确，返回STATUS_INVALID_PARAMETER
if(I.IoctlOutputBufferSize() || !I.IoctlBuffer() ||(I.IoctlInputBufferSize() != sizeof(UCHAR)))
return status;
//处理MyUSB_IOCTL_LED_ON请求
PURB pUrb = m_Lower.BuildVendorRequest(
NULL,                                      // 传输缓冲区
0,                                           // 传输缓冲区大小
0,                                          // 请求保留位
(UCHAR)(*(PUCHAR)I.IoctlBuffer()),        // 请求1＝LED_ON ,0=LED_OFF
0 );                                        // 值
//向下传送URB
status = m_Lower.SubmitUrb(pUrb, NULL, NULL, 5000L);
//若请求在此处理，设置I.Information指示多少数据拷贝回用户
I.Information（）＝0；
I.Status（）＝status；
return status;
}
4.3.4访问硬件例程 DeviceControl()
上层应用软件程序就是通过此例程来将IRP传到下层。
NTSTATUS MyUSBDevice::DeviceControl(KIrp I)
{
NTSTATUS status;
switch (I.IoctlCode())
{
case MyUSB_IOCTL_LED:
status = MyUSB_IOCTL_LED_Handler(I);
break;
default:                        // 未被声明的I/O 控制请求
status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
break;
}
}
限于篇幅，这里仅介绍本驱动程序中的部分例程实现代码。编写完驱动程序后，首先在Visual C++ 中编译通过，然后连接硬件，用DriverStudio 工具包中的SoftICE调试器调试该驱动程序，并且修改编译DriverStudio产生的该驱动程序的测试程序，就通过命令行来测试我们的驱动程序。最后对于LED的控制，我们可以直观的在设备上看到。
5 结束语
USB技术的不断发展和完善，已经使其逐渐成为先进总线接口技术的标志和方向，如今USB OTG标准已经发布，那么USB的应用领域也将越发的广泛。开发一些特定功能的USB接口并设计其设备驱动程序也将成为应用USB技术的关键。通过对USB的学习和Windows 2000下的WDM驱动程序的研究，本文已经给出了编写WDM型USB设备驱动程序的一般方法，读者可以在实际应用中逐步提高对USB和驱动程序的认识，取得事半功倍的效果。