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1． 前言
    通用串行總線（USB）是由Intel、Compaq、Microsoft、IBM、Northern Telecom和NEC等7家公司發起制定的微機總線接口規范。它充分解決了日益增加的PC外設與有限的主板插槽和接口之間的矛盾。現在幾乎所有的臺式PC和便攜式筆記本電腦都配備了USB接口，幾乎所有流行的操作系統如Win98，Windows2000/xp，Linux等都支持USB功能。由于目前多數的開發工具還沒有對USB進行控制的函數和控件，開發一個基于USB的應用系統(如基于USB的數據采集系統)，就需要開發者自己寫一個USB設備驅動程序。

2． USB簡介
    一個USB系統包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括：USB主控制器，根集線器（HUB），USB集線器（HUB），USB設備。軟件系統包括：USB類驅動程序，USB設備驅動程序，設備端固件程序和應用程序。USB的通信結構模型如圖1所示。

USB具有以下特點：
1、 速度快。USB1 .1支持全速和低速模式:12Mbps和1.5Mbps，USB2.0支持的高速模式可達480Mbps。
2、 擴展方便。USB的星式的拓撲結構，在每個PC的USB端口最多擴展127個外設。
3、 支持完全的即插即用功能，可方便的熱拔插。
4、 可自動檢測外設并配置外設，靈活的供電方式，設備可自供電或總線供電；支持設備的掛起和喚醒，節省電源。
5、 USB有控制、等時、中斷和批量等四種數據傳輸方式。可滿足不同的外
設使用。

3． WDM驅動程序模型介紹
    WDM（ Windows Driver Model），即Windows驅動程序模型，是Microsoft力推的全新驅動程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡化驅動程序的開發，在實現對新硬件支持的基礎上減少并降低所必須開發的驅動程序的數量和復雜性。

    WDM是一種PNP驅動程序，同時還遵循電源管理協議，它直接對硬件抽象層HAL操作，還能在Windows98和Windows2000間實現源碼級兼容。在WDM驅動程序模型中，每個硬件設備至少有兩個驅動程序。其一為功能(function)驅動程序，即硬件設備驅動程序。它了解使硬件工作的所有細節，負責初始化I/O操作，有責任處理I/O操作完成時所帶來的中斷事件，有責任為用戶提供一種設備適合的控制方式。另一個為總線(bus)驅動程序。它負責管理硬件與計算機的連接。WDM模型使用了如圖2的層次結構。

    WDM驅動程序總是使應用程序調用設備時，就像操作一個文件。通常，當一個應用程序需要從硬件端口讀取數據時，是通過調用標準的Windows API函數，如ReadFile來實現的。而Win32子系統（如KERNEL32.DLL）通過調用平臺相關的系統服務接口實現該API，而平臺相關的系統服務將調用內核模式支持例程。Windows 2000/xp的所有內核模式IO操作都使用一個公用的數據結構（IRP）。內核發出各種IRP請求給WDM驅動程序,驅動程序處理各種IRP請求.每個IRP有一個IO堆棧結構,對應相應的驅動程序。

4． USB設備驅動程序的編寫
    USB設備驅動程序完全具有WDM驅動程序的特點,也采用分層結構.USB設備驅動程序是使用標準Windows系統USB總線驅動程序訪問使用USBDI（驅動程序接口）的USB設備的設備驅動程序。圖3可以看到USB驅動的層次模型。

    USB總線驅動程序負責實際與USB總線通訊，加載和/卸載USB驅動程序；與USB設備通過端點建立通訊來執行設備配置，數據與USB協議框架和打包格式的雙向轉換任務。USB設備驅動程序（即功能驅動程序），通過發送含有USB請求包（URB）的IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL IRP給USB總線驅動程序來實現與USB設備的通訊。

    USB設備驅動程序可按照處理IRP的不同分為：驅動程序初始化模塊、即插即用（PnP）IRP處理模塊、電源管理IRP處理模塊、系統控制模塊(WMI)IRP處理模塊，USB設備IO和讀寫IRP模塊等幾部分。

4．1驅動程序初始化模塊
    該模塊提供一個驅動程序的入口例程DriverEntry(),所有對各種IRP的處理例程都在此模塊的DriverEntry例程中得到定義。此模塊添加設備AddDevice例程,調用IocreatDevice()內核函數創建一個功能設備對象FDO，并進行WMI和電源管理的一些初始化工作。設備卸載例程UnLoad用于清理硬件在系統中留下的痕跡。DriverEntry例程部分源碼如下：
    NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
    {    PDEVICE_OBJECT deviceObject = NULL;
    ………
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = D12_PnP;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]= D12_IoCtrL;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = D12_Write;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER] = D12_PowerIrp;
    DriverObject->DriverExtension->AddDevice = D12_AddDevice;
    DriverObject->DriverUnload = D12_Unload;
    ………
    return ntStatus;}

4．2即插即用（PnP）模塊
    該模塊實現設備的即插即用功能，熱拔插和動態配置。當硬件檢測到USB設備插入時，Windows 2000查找相應的驅動程序，并調用它的DriverEntry例程，即插即用管理器調用驅動程序的AddDevice例程，通知它添加設備，驅動利用IocreatDevice()內核函數創建一個功能設備對象FDO，在此過程中驅動程序收到IRP_MN_START_DEVICE IRP,請求驅動程序啟動USB設備和分配資源。當然，設備運行過程中，如果設備狀態發生變化（如帶電拔插，暫停等），系統的即插即用管理器也同樣發出相應的IRP，由驅動程序進行處理。

    該模塊的啟動設備例程中要對USB設備進行初始化操作，它首先讀取設備描述符，根據設備描述符來讀取配置描述符.在讀取配置描述符時，往往先讀一次配置描述符，取出總的描述符長度，再將配置描述符，接口描述符，端點描述符一并讀出，從中獲取各種描述符提供的信息，設置管道信息，創建一個配置URB，進行設備配置。需要調用以下例程：
UsbBuildGetDescriptorRequest(Urb, //組建一個獲取設備描述符的URB請求
(USHORT)sizeof(struct _URB_CONTROL_DESCRIPTOR_REQUEST),
0,0,deviceDescriptor//描述符的類型,NULL,siz,NULL)；
CallUSBD（DeviceObject，urb）；//發送usb給總線驅動，
interfaceDescriptor=USBD_ParseConfigurationDecriptorEx(//從配置描述符中搜索接口信息
           ConfigurationDecriptor,//配置描述符地址
           ConfigurationDesriptor,//搜索起始地址
           interfacedex,//搜索的接口索引
           0,-1,-1,-1)// 然后選擇接口，配置設備
urb=USBD_CreateConfigurationRequestEx(ConfigurationDescriptor,interfacelist)
//創建一個配置設備的URB。這里使用一個鏈表結構，可配置不只一個接口

4．3電源管理模塊
    實現USB系統的電源管理功能，實現設備的掛起與喚醒。在USB電源管理IRP的處理必須盡可能的快，否則可能出現奇怪的響應時間長現象。在電源管理模塊中將IRP向下傳遞的例程是PoCallDriver,用它的目的就是使一切和電源管理有關的IRP都在系統電源管理器的掌握之下。

4.4系統控制模塊（WMI）
    WMI（Windows Management Instrumentation）是Windows提供給驅動的一種服務機制，它可以完成注冊表的操作，并且可以在用戶應用程序和驅動程序之間直接數據交換，從而使用戶在除了使用IO設備控制之外，還有一個途徑和驅動程序交流。它處理IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL IRP請求。此IRP在AddDevice中進行一些初始化工作，確定WMI請求處理的例程，并調用IoWMIRegistrationControl進行WMI注冊。

4.5 USB設備IO模塊
    本模塊實現完成IO請求的大部分工作。工作過程：應用程序調用Win32函數如DeviceIoControl向設備發出IO控制命令，系統的IO 管理器構造一個IRP IRP_MJ_DEVICE_CONTROL.設備驅動收到IRP，根據其中的控制代碼，構造相應的URB（USB請求塊），并把它放到一個新的IRP，傳遞到USB類驅動，執行IRP。并把結果返回給設備驅動，設備驅動在通過IRP返回給IO管理器，IO管理器將結果返回給應用程序，即完成一次IO操作。讀寫例程也安排在此模塊，響應讀寫設備用戶請求。

    USB有四種數據傳輸方式：控制，批量，中斷和同步方式。這里需要先檢查傳輸類型,然后根據傳輸類型的不同要求建立適當的URB請求，如下：
UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest(urb,
          sizeof(struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER,
          PipeInformation->PipeHandle
          NULL,mdl,StageLenth,urbFlags,NULL)//建立傳輸請求URB
    利用總線驅動提供的內部控制碼IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB,向下層驅動發送URB，并設置完成例程等待請求完成:
nextStack->MajorFuntion=IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL;//設置下一個IO堆棧的主
nextStack->parameters.Others.Argument1=(PVOID)urb;// 功能代碼
nextStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode=IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB;//內部控制USB設備提交的URB
IoSetCompletionRoution(Irp,
(PIO_COMPLETION_ROUTINE)BulkUsb_ReadWriteCompletion, //設置的完成例程
rwContext,TRUE,TRUE,TRUE);
IoCallDriver(deviceExtention->NextStackDeviceObject,Irp);//提交IRP

   該模塊完成了幾乎所有的應用程序與驅動程序的交互，這一部分也是與USB設備聯系最為緊密的部分。需要對USB協議有一定的了解。

5． 驅動程序的幾種開發工具
    開發一個USB驅動程序需要有一個合適的開發環境。下面是比較流行的幾種開發工具。

    Microsoft為開發驅動者提供了一個軟件包Driver Development Kit即DDK，其中包含了驅動程序的編譯器和調試工具，以及一些幫助文檔和范例，可以在Microsoft的網站上免費下載DDK。代碼的編寫采用c或C++語言，只是編譯，連接需要使用VC++和DDK的工具。DDK提供了各類驅程序的源代碼，對開發者編寫自己的驅動程序很有參考價值。

    DriverWorks是Numega公司提供的一個商業化驅動程序集成開發包，提供VC++下的開發向導DriverWizard，按照它的提示可以迅速地生成驅動程序的框架。在其生成的代碼框架中在加入自己的操作，就可以實現一個完整的USB設備驅動程序。

    WinDriver也是一個商業化的驅動程序開發包。WinDriver使硬件訪問變成一件很容易的事。在常規開發環境下，使用WinDriver，可以在很短的時間內完成訪問IO端口和存儲區域,處理中斷，執行DMA操作及訪問PCI和自定義寄存器的工作。這種易用性是通過一個非常強大的組合向導來實現的。

6． 結束語
    USB設備驅動程序提供了應用設備與應用軟件的接口，使應用程序能以文件調用的方式來高速，快捷地操作設備。通過設計USB設備驅動程序，我們實現了自己開發的智能儀器基于USB的數據采集系統與PC的通信，取得較好的效果。USB設備驅動程序是一個USB應用系統設計當中的關鍵環節，要想對USB開發有一個全面深入的理解，必須深入理解USB驅動程序設計。而且隨著USB技術的快速發展及其廣泛應用，USB驅動程序的編寫也將變得越來越重要。