八、 Windows 驅動程序模型

Windows 環境下驅動程序共有三類，一類是 VxD （ Virtual Device Driver ，虛擬設備驅動程序），起源于 Windows 3.1 時代，用于 Windows 95/98/Me 操作系統中；一類是 KMD （ Kernel Mode Driver ，內核模式驅動程序），用于 Windows NT 下；還有一類就是 WDM （ Win32 Driver Mode ， Win32 驅動程序模型），是微軟從 Windows 98 開始，推出的一個新的驅動類型，它是一個跨平臺的驅動程序模型，不僅如此 WDM 驅動程序還可以在不修改源代碼的情況下經過重新編譯后在非 Intel 平臺上運行，毫不夸張地講， WDM 算得上是 21 世紀的驅動程序框架。

WMD 驅動程序模型

應用程序通過 API 函數調用 Win32 系統子函數，驅動程序分為設備驅動程序，總線驅動程序 (USBD) 和主控制器驅動程序 (HCD) 三層，它們均運行在系統的內核模式。設備驅動程序使用 IR P(I ／ ORequest Packet) 通過總線驅動程序提供的軟件接口 (USBDI ， USB Driver Interface) 向總線驅動程序發出 I ／ O 請求，并根據數據傳輸方向提供一個或空或滿的 內存 緩沖區； USBD 負責管理數據的總線傳輸，也有設備驅動程序與其他軟件接口的功能單元進行通信，沒有直接調用 USBD ，但總有一個更低層的驅動軟件發生 USBD 調用。主控制器驅動程序處在 USB 系統軟件的最底層，直接與主控制器的硬件通信，它提供了只有總線驅動程序才能訪問的主控制器驅動程序軟件接口 H CDI (Host C ON TROL Driver Interface) 。其中，總線驅動程序和主控制器驅動程序是系統的底層驅動程序。設備驅動程序是針對某一 USB 設備的專用驅動程序。

Windows 為 USB 設備提供了底層驅動程序，與底層驅動程序接口的是 I ／ O 請求包 (IRP) ， Windows 為應用程序提供的接口則是 API 函數。因此必須在它們之間建立一個驅動程序，在底層驅動與 Win32 應用程序之間傳遞消息，即設備驅動程序。 VC++ 、 VB 等軟件開發的應用程序，在設備驅動程序的支持下，都可以調用 ReadFile() 、 WriteFile() 、 DeviceIo CONTROL () 等 API 函數向設備傳遞主機請求。 Windows 系統自動將 API 調用轉化為 IRP ，設備驅動程序把它向下層驅動傳遞。直到完成其所指定的功能再沿驅動程序棧返回主機。

WDM 還引入了功能設備對象 FDO （ Functional Device Object ）與物理設備對象 PDO （ Physical Device Object ）兩個新類來描述硬件，一個 PDO 對應一個真實硬件。一個硬件只允許有一個 PDO ，但卻可以擁有多個 FDO ，而在驅動程序中我們不是直接操作硬件而是操作相應的 PDO 與 FDO 。驅動程序和設備對象的分層情況如圖所示。

其中總線驅動程序（ Bus Driver ）位于最底層，控制對總線上所有設備的訪問，創建 PDO 代表發現的設備。功能驅動程序（ Function Driver ）控制設備的主要功能，分層在總線驅動的上面，負責創建 FDO 。在 USB 情況下，功能驅動程序必須使用 USB 類驅動程序訪問設備。

九、 USB 設備驅動程序開發工具

開發 USB 設備驅動程序需要專門的開發工具，目前應用廣泛的工具主要有兩大類。 開發設備驅動程序一般采用以下幾種方法： 1) 直接使用 Windows DDK ，這種方法開發難度較大，設計者必須對整個體系結構有很好的理解和把握。 2) 使用 Driver Studio ，該 工具 軟件可為設計者提供驅動程序的整體框架，設計者只需要專心于功能代碼設計。 3) 使用 win Driver ，這種方法開發驅動程序很容易，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 兩個版本。 Windows 98 DDK 能夠開發 Windows 95/98/Me/NT 下的 VxD 、 KMD 和 WDM 驅動程序。 Windows 2000 DDK 能夠開發 Windows 98/Me/NT/2000 下的 KMD 和 WDM 驅動程序。由于 DDK 基于匯編語言的編程方式和內核模式的調用，對沒有深厚的 OS 原理和編程水平的人員來說，任務相當艱巨。

2． NuMega 公司提供的 DriverStudio 。

它是一個大的開發工具包，包含 VtoolsD 、 SoftICE 和 DriverWorks 等開發工具。 VtoolsD 開發包提供了對 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，開發者可以在此基礎上根據各自的需要添加自己的代碼。 DriverWorks 用于開發 KMD 和 WDM 驅動程序，并且對 DDK 函數進行了類的封裝，從而為開發 Windows NT 、 Windows 2000 和 Widnwos98 WDM 設備驅動程序提供了一個自動化的方法。

DriverWorks ，提供了 VC++ 下的開發向導 Driver Wizard ，按照它的提示可以迅速地生成驅動程序的框架。這個框架結構提供可以正確執行 WDM 動態環境中 IRP 的請求，而且，也包含用于簡化系統提供的標準類驅動程序（如 HID 、流）和總線驅動程序（如 PCI 和 USB ）接口的類等。 總之，利用 DriverWorks 開發 WDM 驅動程序，可以大大簡化開發人員的工作量、縮短開發周期以及降低開發驅動程序的難度。

十、 USB 設備驅動程序的設計

使用 DriverStudio3.2 開發 USB 設備驅動程序。

該驅動程序的主要功能包括：從控制端點 0 讀取規定個數的數據、向端點 0 發出控制命令、從端點 2 批量讀數據、向端點 2 批量寫數據，驅動程序的開發采用 DriverStudio3.2 驅動程序開發包及 VC++6.0 ，使用開發包中的向導程序 DriverWizard 就可以方便的生成驅動程序框架、模塊及部分程序源代碼，開發者只需要在功能模塊中加入自己的實現程序就能完成復雜的 USB 設備驅動程序設計。

1. DriverWizard 生成一 ISP1581 驅動程序的過程：

(1) 啟動 DriverWizard ，選擇 DriverWorks Project 創造一個名為 USBDIO 的 VC++ 項目 ;

(2) 在驅動程序類型中選擇 WDM Driver ， WDM Function Driver, 在硬件設備所支持的總線類型中選擇 USB(WDM Only) ，在 USB Vendor ID( 廠商識別碼 ) 中填寫 0741 ，在 USB Product ID( 產品識別碼 ) 中填寫 0821;

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

(4) 在驅動程序支持的功能項中選擇 Read 、 Write 、 Device Control 、 Cleanup;

(5) 選擇自動產生批量讀及批量寫程序代碼 ;

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

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

(8) 定義應用程序調用 DeviceIo Control 函數對 WDM 驅動程序通信的控制命令。

(9) 最后選擇完成并確認生成新的項目信息，向導程序就會在 usbdio 目錄中生成一個名為 USBDIO 的項目文件，其中包括了 ISP1581 驅動程序框架、模塊及部分源代碼。

2 ． USB 設備驅動程序的編程

在使用 DriverWizard 生成驅動程序框架、模塊及部分程序源代碼后，開發者只需完成三個控制代碼所對應的三個功能模塊的編程：模塊 USBDIO_IOCTL_ ID_CODE_Handler 的功能是從控制端點 0 讀取數據，模塊 USBDIO_IOCTL_ TEST_COMMAND_Handler 的功能是向控制端點 0 發送一個控制命令，模塊 USBDIO_IOCTL_DMA_COMMAND _Handler 的功能是向控制端點 0 發送一個要求 USB 設備進行 DMA 傳輸的控制命令，下面是第一個模塊的編程實例。

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();

// 設置讀取的數據個數

pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest((PUCHAR)I.IoctlBuffer(),// 驅動程序存放讀取的數據的內存區

numData,//wLength ，讀取的數據個數

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

TRUE,//input

TRUE,

NULL,

0x0472,//wIndex, 傳輸到固件程序的讀數命令碼

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;

}

對象 I 包含了應用程序下傳的 IRP 內容，包括命令或數據等參數，函數 BuildVendorRequest 用來分配并初始化一個用于廠商請求的 URB(USB Request Block) ，該 URB 將作為下傳 IRP 的一個參數，通過函數 SubmitUrb 發送給總線驅動程序，以便完成與硬件的通信。

在初始化 URB 時需要了解 USB 的傳輸方式及傳輸協議，該功能使用了 USB 的控制傳輸方式，該方式包括三個階段：設置階段、數據階段和狀態階段，其中數據階段可選，開發者主要關注設置階段中的 8 個關鍵字節的定義， 8 字節分成了 5 個字段，定義了傳輸請求及相關信息。

BmRequestType ： 1 字節，用來指定數據流動的方向，請求的類型，以及接收者。

bRequest ： 1 字節，用來指定請求。

wValue ： 2 字節，主機用來傳輸信息給設備，開發者可以根據情況自己定義。

wIndex ： 2 字節，主機用來傳輸信息給設備，開發者可以根據情況自己定義。

wLength ： 2 字節，包含數據階段中接下來要傳輸的數據字節數目。

十一、 USB 設備驅動程序的安裝及調用

1. USB 設備驅動程序的安裝

驅動程序編譯完成后會生成一個名為 USBDIO.SYS 的文件，即 USB 設備驅動程序，另外在使用向導程序 WizardDriver 生成驅動程序時會產生一個名為 USBDIO.INF 的驅動程序安裝程序，對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 ，由于本驅動程序使用符號鏈接名打開設備，所以刪除 ClassGUID 選項，注意設備標識符必需為： %DeviceDesc%=USBDIO_DDI, USBVID_0471&PID_0821 ，其中 0471 是 USB 控制芯片的廠商識別碼， 0821 是 USB 設備標識碼。

驅動程序安裝過程是：將 USB 設備加電，連入計算機的 USB 接口，這時候會看到 Windows 操作系統提示發現新硬件，提問是否安裝驅動程序，選擇是，然后選擇驅動程序所在文件夾，選擇文件 USBDIO.INF 即可完成安裝 .

2. USB 設備驅動程序的調用

為了完成對驅動程序的調用，使用 VC++6.0 編寫 USB 應用程序包，程序包共由五個功能模塊組成，用戶通過調用這些模塊即可方便的完成對 USB 外設的控制及讀寫，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 0 發來的數據，數據存放在緩沖區 rbuffer 中。

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

int CTRLSendDMACommand (unsigned char usbSelect ， unsigned char dmaDirection ， unsigned char ramSelect,unsigned long dmaLength) ，主要功能是發送 DMA 傳輸命令，變量 dmaDirection 定義數據傳輸方向， ramSelect 定義將要操作的 USB 外設的存儲器， dmaLength 定義了數據傳輸總數。

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

int DMAWrite(unsigned char usbSelect ， unsigned char *rbuffer ， int len ， int waitTime) ，主要功能是計算機批量寫數據到 ISP1581 ，而 ISP1581 將以 DMA 方式寫數據到外部 RAM

Windows下usb接口驅動技術(二)