Windows下usb接口驱动技术(二)
八、 Windows驱动程序模型
Windows环境下驱动程序共有三类，一类是VxD（ Virtual Device Driver，虚拟设备驱动程序），起源于Windows 3.1 时代，用于Windows 95/98/Me操作系统中；一类是KMD（ Kernel Mode Driver，内核模式驱动程序），用于Windows NT下；还有一类就是WDM（Win32 Driver Mode，Win32驱动程序模型），是微软从Windows 98开始，推出的一个新的驱动类型，它是一个跨平台的驱动程序模型，不仅如此WDM驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行，毫不夸张地讲，WDM算得上是21世纪的驱动程序框架。
WMD驱动程序模型
应用程序通过API函数调用Win32系统子函数，驱动程序分为设备驱动程序，总线驱动程序(USBD)和主控制器驱动程序(HCD)三层，它们均运行在系统的内核模式。设备驱动程序使用IRP(I／ORequest Packet)通过总线驱动程序提供的软件接口(USBDI，USB Driver Interface)向总线驱动程序发出I／O请求，并根据数据传输方向提供一个或空或满的内存缓冲区；USBD负责管理数据的总线传输，也有设备驱动程序与其他软件接口的功能单元进行通信，没有直接调用USBD，但总有一个更低层的驱动软件发生USBD调用。主控制器驱动程序处在USB系统软件的最底层，直接与主控制器的硬件通信，它提供了只有总线驱动程序才能访问的主控制器驱动程序软件接口HCDI(Host CONTROL Driver Interface)。其中，总线驱动程序和主控制器驱动程序是系统的底层驱动程序。设备驱动程序是针对某一USB设备的专用驱动程序。
Windows为USB设备提供了底层驱动程序，与底层驱动程序接口的是I／O请求包(IRP)，Windows为应用程序提供的接口则是API函数。因此必须在它们之间建立一个驱动程序，在底层驱动与Win32应用程序之间传递消息，即设备驱动程序。VC++、VB等软件开发的应用程序，在设备驱动程序的支持下，都可以调用ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoCONTROL()等API函数向设备传递主机请求。Windows系统自动将API调用转化为IRP，设备驱动程序把它向下层驱动传递。直到完成其所指定的功能再沿驱动程序栈返回主机。
WDM还引入了功能设备对象FDO（Functional 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对应一个真实硬件。一个硬件只允许有一个PDO，但却可以拥有多个FDO，而在驱动程序中我们不是直接操作硬件而是操作相应的PDO与FDO。驱动程序和设备对象的分层情况如图所示。
其中总线驱动程序（Bus Driver）位于最底层，控制对总线上所有设备的访问，创建PDO代表发现的设备。功能驱动程序（Function Driver）控制设备的主要功能，分层在总线驱动的上面，负责创建FDO。在USB情况下，功能驱动程序必须使用USB类驱动程序访问设备。
九、 USB设备驱动程序开发工具
开发USB设备驱动程序需要专门的开发工具，目前应用广泛的工具主要有两大类。开发设备驱动程序一般采用以下几种方法：1)直接使用Windows DDK，这种方法开发难度较大，设计者必须对整个体系结构有很好的理解和把握。2)使用Driver Studio，该工具软件可为设计者提供驱动程序的整体框架，设计者只需要专心于功能代码设计。3)使用win Driver，这种方法开发驱动程序很容易，但工作效率不是很高。
1． Microsoft公司提供的Windows DDK(Device Driver Kit)。
它有Windows 98 DDK和Windows 2000 DDK两个版本。Windows 98 DDK能够开发Windows 95/98/Me/NT下的VxD、KMD和WDM驱动程序。Windows 2000 DDK 能够开发Windows 98/Me/NT/2000下的KMD和WDM驱动程序。由于DDK基于汇编语言的编程方式和内核模式的调用，对没有深厚的OS原理和编程水平的人员来说，任务相当艰巨。
2． NuMega公司提供的DriverStudio。
它是一个大的开发工具包，包含VtoolsD、SoftICE和DriverWorks等开发工具。 VtoolsD开发包提供了对VxD编程的C/C++类库支持，利用VtoolsD中的QuickVxD工具可以快速生成VxD的C/C++代码框架，开发者可以在此基础上根据各自的需要添加自己的代码。DriverWorks用于开发KMD和WDM驱动程序，并且对DDK函数进行了类的封装，从而为开发Windows NT、Windows 2000和Widnwos98 WDM设备驱动程序提供了一个自动化的方法。
DriverWorks，提供了VC++下的开发向导Driver Wizard，按照它的提示可以迅速地生成驱动程序的框架。这个框架结构提供可以正确执行WDM动态环境中IRP的请求，而且，也包含用于简化系统提供的标准类驱动程序（如HID、流）和总线驱动程序（如PCI和USB）接口的类等。总之，利用DriverWorks开发WDM驱动程序，可以大大简化开发人员的工作量、缩短开发周期以及降低开发驱动程序的难度。
十、 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。
1. DriverWizard生成一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DeviceIo Control 函数对WDM驱动程序通信的控制命令。
(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。
2． 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;
tatus=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。
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。
十一、USB设备驱动程序的安装及调用1. 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.
2. USB设备驱动程序的调用
为了完成对驱动程序的调用，使用VC++6.0编写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。
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。
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。
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。
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。
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
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