USB设备驱动程序的设计

2009年06月01日 14:06    李宽
关键词: USB , 驱动程序
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 programminginterface)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, USB\VID_0471&ID_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 charnumData),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 chardmaDirection,unsigned char ramSelect,unsigned longdmaLength),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,intlen,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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zby321 发表于 2010-7-7 11:19:01
无怨无悔yyl 发表于 2010-12-22 12:21:02
谢谢
mm1327 发表于 2010-12-27 19:27:51
学习
sjg 发表于 2011-2-15 12:05:15
学习
zzm天龙 发表于 2011-4-4 13:40:35
ldf9766 发表于 2011-5-8 16:28:13
很好,谢谢!
北虢 发表于 2011-5-29 13:30:36
很想学习
phil_guo 发表于 2011-9-14 16:13:50
谢谢
freeboy898 发表于 2011-11-4 14:33:26
用过一点,学习了,谢谢楼主的讲解!
haijenny 发表于 2012-3-9 00:26:04
用过一点,学习了,谢谢楼主的讲解!
freehu 发表于 2012-10-25 18:42:34
good,谢谢!
czxiong 发表于 2014-11-3 09:05:46
good,谢谢!
spy007868 发表于 2014-11-3 09:35:42
谢谢分享。
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