八、 Windows 驅(qū)動(dòng)程序模型

Windows 環(huán)境下驅(qū)動(dòng)程序共有三類，一類是 VxD （ Virtual Device Driver ，虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序），起源于 Windows 3.1 時(shí)代，用于 Windows 95/98/Me 操作系統(tǒng)中；一類是 KMD （ Kernel Mode Driver ，內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序），用于 Windows NT 下；還有一類就是 WDM （ Win32 Driver Mode ， Win32 驅(qū)動(dòng)程序模型），是微軟從 Windows 98 開始，推出的一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)類型，它是一個(gè)跨平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序模型，不僅如此 WDM 驅(qū)動(dòng)程序還可以在不修改源代碼的情況下經(jīng)過重新編譯后在非 Intel 平臺(tái)上運(yùn)行，毫不夸張地講， WDM 算得上是 21 世紀(jì)的驅(qū)動(dòng)程序框架。

WMD 驅(qū)動(dòng)程序模型

應(yīng)用程序通過 API 函數(shù)調(diào)用 Win32 系統(tǒng)子函數(shù)，驅(qū)動(dòng)程序分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，總線驅(qū)動(dòng)程序 (USBD) 和主控制器驅(qū)動(dòng)程序 (HCD) 三層，它們均運(yùn)行在系統(tǒng)的內(nèi)核模式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用 IR P(I ／ ORequest Packet) 通過總線驅(qū)動(dòng)程序提供的軟件接口 (USBDI ， USB Driver Interface) 向總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出 I ／ O 請(qǐng)求，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向提供一個(gè)或空或滿的 內(nèi)存 緩沖區(qū)； USBD 負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的總線傳輸，也有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與其他軟件接口的功能單元進(jìn)行通信，沒有直接調(diào)用 USBD ，但總有一個(gè)更低層的驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)生 USBD 調(diào)用。主控制器驅(qū)動(dòng)程序處在 USB 系統(tǒng)軟件的最底層，直接與主控制器的硬件通信，它提供了只有總線驅(qū)動(dòng)程序才能訪問的主控制器驅(qū)動(dòng)程序軟件接口 H CDI (Host C ON TROL Driver Interface) 。其中，總線驅(qū)動(dòng)程序和主控制器驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是針對(duì)某一 USB 設(shè)備的專用驅(qū)動(dòng)程序。

Windows 為 USB 設(shè)備提供了底層驅(qū)動(dòng)程序，與底層驅(qū)動(dòng)程序接口的是 I ／ O 請(qǐng)求包 (IRP) ， Windows 為應(yīng)用程序提供的接口則是 API 函數(shù)。因此必須在它們之間建立一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，在底層驅(qū)動(dòng)與 Win32 應(yīng)用程序之間傳遞消息，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 VC++ 、 VB 等軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持下，都可以調(diào)用 ReadFile() 、 WriteFile() 、 DeviceIo CONTROL () 等 API 函數(shù)向設(shè)備傳遞主機(jī)請(qǐng)求。 Windows 系統(tǒng)自動(dòng)將 API 調(diào)用轉(zhuǎn)化為 IRP ，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把它向下層驅(qū)動(dòng)傳遞。直到完成其所指定的功能再沿驅(qū)動(dòng)程序棧返回主機(jī)。

WDM 還引入了功能設(shè)備對(duì)象 FDO （ Functional Device Object ）與物理設(shè)備對(duì)象 PDO （ Physical Device Object ）兩個(gè)新類來描述硬件，一個(gè) PDO 對(duì)應(yīng)一個(gè)真實(shí)硬件。一個(gè)硬件只允許有一個(gè) PDO ，但卻可以擁有多個(gè) FDO ，而在驅(qū)動(dòng)程序中我們不是直接操作硬件而是操作相應(yīng)的 PDO 與 FDO 。驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備對(duì)象的分層情況如圖所示。

其中總線驅(qū)動(dòng)程序（ Bus Driver ）位于最底層，控制對(duì)總線上所有設(shè)備的訪問，創(chuàng)建 PDO 代表發(fā)現(xiàn)的設(shè)備。功能驅(qū)動(dòng)程序（ Function Driver ）控制設(shè)備的主要功能，分層在總線驅(qū)動(dòng)的上面，負(fù)責(zé)創(chuàng)建 FDO 。在 USB 情況下，功能驅(qū)動(dòng)程序必須使用 USB 類驅(qū)動(dòng)程序訪問設(shè)備。

九、 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具

開發(fā) USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要專門的開發(fā)工具，目前應(yīng)用廣泛的工具主要有兩大類。 開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般采用以下幾種方法： 1) 直接使用 Windows DDK ，這種方法開發(fā)難度較大，設(shè)計(jì)者必須對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)有很好的理解和把握。 2) 使用 Driver Studio ，該 工具 軟件可為設(shè)計(jì)者提供驅(qū)動(dòng)程序的整體框架，設(shè)計(jì)者只需要專心于功能代碼設(shè)計(jì)。 3) 使用 win Driver ，這種方法開發(fā)驅(qū)動(dòng)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 兩個(gè)版本。 Windows 98 DDK 能夠開發(fā) Windows 95/98/Me/NT 下的 VxD 、 KMD 和 WDM 驅(qū)動(dòng)程序。 Windows 2000 DDK 能夠開發(fā) Windows 98/Me/NT/2000 下的 KMD 和 WDM 驅(qū)動(dòng)程序。由于 DDK 基于匯編語言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對(duì)沒有深厚的 OS 原理和編程水平的人員來說，任務(wù)相當(dāng)艱巨。

2． NuMega 公司提供的 DriverStudio 。

它是一個(gè)大的開發(fā)工具包，包含 VtoolsD 、 SoftICE 和 DriverWorks 等開發(fā)工具。 VtoolsD 開發(fā)包提供了對(duì) VxD 編程的 C/C++ 類庫支持，利用 VtoolsD 中的 QuickVxD 工具可以快速生成 VxD 的 C/C++ 代碼框架，開發(fā)者可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)各自的需要添加自己的代碼。 DriverWorks 用于開發(fā) KMD 和 WDM 驅(qū)動(dòng)程序，并且對(duì) DDK 函數(shù)進(jìn)行了類的封裝，從而為開發(fā) Windows NT 、 Windows 2000 和 Widnwos98 WDM 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了一個(gè)自動(dòng)化的方法。

DriverWorks ，提供了 VC++ 下的開發(fā)向?qū)? Driver Wizard ，按照它的提示可以迅速地生成驅(qū)動(dòng)程序的框架。這個(gè)框架結(jié)構(gòu)提供可以正確執(zhí)行 WDM 動(dòng)態(tài)環(huán)境中 IRP 的請(qǐng)求，而且，也包含用于簡(jiǎn)化系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)類驅(qū)動(dòng)程序（如 HID 、流）和總線驅(qū)動(dòng)程序（如 PCI 和 USB ）接口的類等。 總之，利用 DriverWorks 開發(fā) WDM 驅(qū)動(dòng)程序，可以大大簡(jiǎn)化開發(fā)人員的工作量、縮短開發(fā)周期以及降低開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的難度。

十、 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

使用 DriverStudio3.2 開發(fā) USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

該驅(qū)動(dòng)程序的主要功能包括：從控制端點(diǎn) 0 讀取規(guī)定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)、向端點(diǎn) 0 發(fā)出控制命令、從端點(diǎn) 2 批量讀數(shù)據(jù)、向端點(diǎn) 2 批量寫數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)采用 DriverStudio3.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包及 VC++6.0 ，使用開發(fā)包中的向?qū)С绦? DriverWizard 就可以方便的生成驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分程序源代碼，開發(fā)者只需要在功能模塊中加入自己的實(shí)現(xiàn)程序就能完成復(fù)雜的 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

1. DriverWizard 生成一 ISP1581 驅(qū)動(dòng)程序的過程：

(1) 啟動(dòng) DriverWizard ，選擇 DriverWorks Project 創(chuàng)造一個(gè)名為 USBDIO 的 VC++ 項(xiàng)目 ;

(2) 在驅(qū)動(dòng)程序類型中選擇 WDM Driver ， WDM Function Driver, 在硬件設(shè)備所支持的總線類型中選擇 USB(WDM Only) ，在 USB Vendor ID( 廠商識(shí)別碼 ) 中填寫 0741 ，在 USB Product ID( 產(chǎn)品識(shí)別碼 ) 中填寫 0821;

(3) 增加 USB 設(shè)備端點(diǎn)，設(shè)置端點(diǎn) 2 為批量輸入 / 輸出傳輸方式 ;

(4) 在驅(qū)動(dòng)程序支持的功能項(xiàng)中選擇 Read 、 Write 、 Device Control 、 Cleanup;

(5) 選擇自動(dòng)產(chǎn)生批量讀及批量寫程序代碼 ;

(6) 在 I/O 請(qǐng)求 IRP 處理方式中選擇 None ，即 IRP 不排隊(duì) ;

(7) 在接口的打開方式中選擇 Symbolic link:UsbdioDevice ，即應(yīng)用程序以符號(hào)鏈接名打開設(shè)備 ;

(8) 定義應(yīng)用程序調(diào)用 DeviceIo Control 函數(shù)對(duì) WDM 驅(qū)動(dòng)程序通信的控制命令。

(9) 最后選擇完成并確認(rèn)生成新的項(xiàng)目信息，向?qū)С绦蚓蜁?huì)在 usbdio 目錄中生成一個(gè)名為 USBDIO 的項(xiàng)目文件，其中包括了 ISP1581 驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分源代碼。

2 ． USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編程

在使用 DriverWizard 生成驅(qū)動(dòng)程序框架、模塊及部分程序源代碼后，開發(fā)者只需完成三個(gè)控制代碼所對(duì)應(yīng)的三個(gè)功能模塊的編程：模塊 USBDIO_IOCTL_ ID_CODE_Handler 的功能是從控制端點(diǎn) 0 讀取數(shù)據(jù)，模塊 USBDIO_IOCTL_ TEST_COMMAND_Handler 的功能是向控制端點(diǎn) 0 發(fā)送一個(gè)控制命令，模塊 USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND _Handler 的功能是向控制端點(diǎn) 0 發(fā)送一個(gè)要求 USB 設(shè)備進(jìn)行 DMA 傳輸?shù)目刂泼睿旅媸堑谝粋€(gè)模塊的編程實(shí)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();

// 設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest((PUCHAR)I.IoctlBuffer(),// 驅(qū)動(dòng)程序存放讀取的數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)

numData,//wLength ，讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

0,0x0c,//bRequest 0,//wValue

TRUE,//input

TRUE,

NULL,

0x0472,//wIndex, 傳輸?shù)焦碳绦虻淖x數(shù)命令碼

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;

}

對(duì)象 I 包含了應(yīng)用程序下傳的 IRP 內(nèi)容，包括命令或數(shù)據(jù)等參數(shù)，函數(shù) BuildVendorRequest 用來分配并初始化一個(gè)用于廠商請(qǐng)求的 URB(USB Request Block) ，該 URB 將作為下傳 IRP 的一個(gè)參數(shù)，通過函數(shù) SubmitUrb 發(fā)送給總線驅(qū)動(dòng)程序，以便完成與硬件的通信。

在初始化 URB 時(shí)需要了解 USB 的傳輸方式及傳輸協(xié)議，該功能使用了 USB 的控制傳輸方式，該方式包括三個(gè)階段：設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段，其中數(shù)據(jù)階段可選，開發(fā)者主要關(guān)注設(shè)置階段中的 8 個(gè)關(guān)鍵字節(jié)的定義， 8 字節(jié)分成了 5 個(gè)字段，定義了傳輸請(qǐng)求及相關(guān)信息。

BmRequestType ： 1 字節(jié)，用來指定數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向，請(qǐng)求的類型，以及接收者。

bRequest ： 1 字節(jié)，用來指定請(qǐng)求。

wValue ： 2 字節(jié)，主機(jī)用來傳輸信息給設(shè)備，開發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

wIndex ： 2 字節(jié)，主機(jī)用來傳輸信息給設(shè)備，開發(fā)者可以根據(jù)情況自己定義。

wLength ： 2 字節(jié)，包含數(shù)據(jù)階段中接下來要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目。

十一、 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝及調(diào)用

1. USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝

驅(qū)動(dòng)程序編譯完成后會(huì)生成一個(gè)名為 USBDIO.SYS 的文件，即 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，另外在使用向?qū)С绦? WizardDriver 生成驅(qū)動(dòng)程序時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)名為 USBDIO.INF 的驅(qū)動(dòng)程序安裝程序，對(duì)此程序只需稍做修改就能正常使用，具體是將類改為 USB ，即 Class=USB ，由于本驅(qū)動(dòng)程序使用符號(hào)鏈接名打開設(shè)備，所以刪除 ClassGUID 選項(xiàng)，注意設(shè)備標(biāo)識(shí)符必需為： %DeviceDesc%=USBDIO_DDI, USBVID_0471&PID_0821 ，其中 0471 是 USB 控制芯片的廠商識(shí)別碼， 0821 是 USB 設(shè)備標(biāo)識(shí)碼。

驅(qū)動(dòng)程序安裝過程是：將 USB 設(shè)備加電，連入計(jì)算機(jī)的 USB 接口，這時(shí)候會(huì)看到 Windows 操作系統(tǒng)提示發(fā)現(xiàn)新硬件，提問是否安裝驅(qū)動(dòng)程序，選擇是，然后選擇驅(qū)動(dòng)程序所在文件夾，選擇文件 USBDIO.INF 即可完成安裝 .

2. USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用

為了完成對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，使用 VC++6.0 編寫 USB 應(yīng)用程序包，程序包共由五個(gè)功能模塊組成，用戶通過調(diào)用這些模塊即可方便的完成對(duì) USB 外設(shè)的控制及讀寫，這些模塊如下。

int CTRLReadData(unsigned char usbSelect ， unsigned char *rbuffer ， unsigned char numData) ，主要功能是讀取 ISP1581 控制端點(diǎn) 0 發(fā)來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū) rbuffer 中。

int CTRLSendTestCommand (unsigned char usbSelect ， unsigned short int testCommand) ，主要功能是發(fā)送測(cè)試命令，變量 testCommand 定義了測(cè)試命令。

int CTRLSendDMACommand (unsigned char usbSelect ， unsigned char dmaDirection ， unsigned char ramSelect,unsigned long dmaLength) ，主要功能是發(fā)送 DMA 傳輸命令，變量 dmaDirection 定義數(shù)據(jù)傳輸方向， ramSelect 定義將要操作的 USB 外設(shè)的存儲(chǔ)器， dmaLength 定義了數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)。

int DMARead(unsigned char usbSelect ， unsigned char *rbuffer ， int len ， int waitTime) ，主要功能是計(jì)算機(jī)批量讀取 ISP1581 中的數(shù)據(jù)，而 ISP1581 以 DMA 方式從外部 RAM 讀取數(shù)據(jù)。

int DMAWrite(unsigned char usbSelect ， unsigned char *rbuffer ， int len ， int waitTime) ，主要功能是計(jì)算機(jī)批量寫數(shù)據(jù)到 ISP1581 ，而 ISP1581 將以 DMA 方式寫數(shù)據(jù)到外部 RAM

Windows下usb接口驅(qū)動(dòng)技術(shù)(二)