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USB设备驱动程序的设计

时间:05-20 来源:电子产品世界 作者:陈新忠 中国电子科技集团公司第二十研究所 点击:
引言

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 programming interface)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


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