摘要: 文章介紹了USB和WDM驅動程序的基本概念和結構，結合實例闡述了用NuMega 公司的DriverStudio工具包開發Windows 2000環境下WDM USB設備驅動程序的方法，并給出關鍵例程主要代碼。

　　關鍵詞：USB WDM 設備驅動程序 DriverStudio

　　引言

　　隨著微機技術水平的日益提高，傳統的計算接口已經不能滿足當前計算機高速發展的需求，計算機業界迫切需要新的通用型、高速總線接口。通用外設接口標準USB應運而生。USB,全稱為通用串行總線（Universal Serial Bus），它是Compaq、IBM等PC大廠商聯合開發的一種新型的、基于令牌的、高速的串行總線標準。開發者要設計USB設備接口，就必須首先了解USB協議，在此基礎上有針對性的開發USB設備驅動程序。

　　USB簡介

　　在眾多的PC機總線中，USB以其突出的優點獨樹一幟：① 使用方便。支持熱拔插，不涉及中斷請求（IRQ）沖突等問題，能真正做到“即插即用”。②傳輸速率高。目前的USB 2.0協議速度高達480Mbps 。③易于擴展。通過使用Hub擴展可連接多達127個外設。④使用靈活。USB共有４種傳輸模式：控制(control)、同步(Synchronization)、中斷(interrupt)、批量(bulk)，以適應不同設備的需要。⑤獨立供電。正由于上述優點，開發USB接口的設備已成為一種發展趨勢。

　　一個完整的USB系統包括主機系統和USB設備。所有的傳輸事務都是由主機發起的。一個主機系統又可以分為以下幾個層次結構，如圖1所示：

圖1 USB 互連通信模型

    USB總線接口包括USB主控制器和根集線器，其中USB主控制器負責處理主機與設備之間電氣和協議層的互連，根集線器提供USB設備連接點。USB系統使用USB主控制器來管理主機和USB設備之間的數據傳輸，另外它也負責管理USB資源,如帶寬等。應用軟件不能直接訪問USB設備硬件，而通過USB系統和USB總線接口與USB設備進行交互。

　　USB設備包含一些向主機軟件提供一系列USB設備的特征和能力的信息的設備描述符，用來配置設備和定位USB設備驅動程序。這些信息確保了主機以正確的方式訪問設備。通常，一個設備有一個或多個配置(Configuration)來控制其行為。配置是接口(Interface)的集合，接口指出軟件應該如何訪問硬件。接口又是端點(endpoint)的集合，每一個與USB交換數據的硬件就為端點，它是作為通信管道的一個終點。圖1顯示了一個多層次結構的通信模型，它表明了端點和管道所扮演的角色。

　　WDM驅動程序和USB驅動程序的分層結構

　　設備驅動程序實際上是指一系列控制硬件設備的函數，是操作系統中控制和連接硬件的關鍵模塊。它提供連接到計算機的硬件設備的軟件接口。

　　1、WDM 驅動程序介紹

　　WDM(Win32 Driver Model)是Microsoft公司力推的一種符合Windows2k/XP下的內核模式驅動程序的分層體系結構的驅動程序模式。它源于 Windows NT的分層32位設備驅動程序模型，它支持更多的特性，如即插即用（ PnP ，Plug and Play ）、電源管理（ PM ，Power Management ）、Windows管理診斷（ WMI ，Windows Management Instrumentation ）和 NT 事件。它為Windows操作系統的設備驅動程序提供了統一的框架，在Windows平臺上，WDM將成為主流的驅動模式。

　　WDM引入了功能設備對象FDO(Function 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對應一個真實的硬件。一個硬件只允許有一個PDO，卻可以擁有多個FDO，在驅動程序中直接操作的不是硬件而是相應的PDO和FDO。

　　WDM是通過一個128位的全局唯一標識符(GUID)實現驅動程序的識別。應用程序與WDM驅動程序通信時，應用程序將每用戶請求形成I/O請求包(IRP)發送到驅動程序。驅動程序識別出IRP請求后指揮硬件執行相應操作。

　　2、開發WDM驅動程序的方法

　　目前開發WDM驅動程序的方法有三種：

　　①使用 Microsoft 的 Windows2000 DDK工具開發。②使用 KRFTech 公司的 WinDriver 。③使用 NuMega 公司的 DriverStudio 。

　　3、WDM型的USB驅動程序結構

　　對于USB設備來說，其WDM驅動程序分為USB底層（總線）驅動程序和USB功能(設備)驅動程序。USB驅動程序符合Windows 2000下的內核模式驅動程序的分層體系結構，如圖2所示：

圖2 WDM型的USB驅動程序體系結構

    USB底層驅動程序由操作系統提供，負責與實際的硬件打交道，實現煩瑣的底層通信。USB功能驅動程序由設備開發者編寫，不對實際的硬件進行操作，而是通過向USB底層驅動程序發送包含URB（USB Request Block，請求塊）的IRP，來實現對USB設備信息的發送和接收。采用這種分層驅動程序的設計方法有兩個優點：(1)多個USB設備可以通過USB底層驅動程序來協調它們的工作。(2)編寫分層驅動程序較之編寫單一驅動程序相對簡單，且可以節省內存和資源，不易出錯。

　　USB驅動程序工作簡述如下：當應用程序想對USB設備進行I/O操作，它需調用Windows API函數，I/O管理器將此請求構造成一個合適的I/O請求包（IRP）并把它傳遞給USB功能驅動程序。USB功能驅動程序接收到這個IRP后，根據IPR中包含的具體操作代碼構造相應USB請求塊（URB），并把此URB放到一個新的IRP中，然后把它傳遞給USB底層驅動程序。USB底層驅動程序根據IRP中所含的URB執行相應的操作，并把操作的結果返回給USB功能驅動程序。USB功能驅動程序接收到此返回的IRP后，將操作結果通過IRP返還給I/O管理器，最后I/O管理器將此IRP操作結果傳回給應用程序，至此應用程序對設備的一次I/O操作完成。

    用Driver Studio工具包開發WDM型的USB設備驅動程序

　　前文所提及的WDM驅動程序開發方法，筆者都曾嘗試過。個人認為用DriverStudio開發工具包來開發USB驅動程序行之有效。其中的Driver Wizard是創建WDM驅動程序框架的一個很好的工具，后文將介紹用它來創建USB設備驅動程序的基本框架。

　　1、搭建開發平臺

　　由于利用 DriverStudio 開發WDM驅動程序在搭建開發平臺的過程中對軟件的安裝順序要求頗高，在開發過程中我也曾因為安裝順序的顛倒而失敗。在實踐中總結了以下的安裝步驟，有必要在此作以介紹。

　　①在已裝了Windows 2000 操作系統的機子上安裝 Microsoft Visual C++6.0。 ②安裝 Win2000 DDK 。③安裝 NuMega DriverStudio 2.0 ( or 2.6 ) 驅動程序開發工具包。它包含DriverWorks（ 用于開發內核模式WDM驅動程序 ）、SoftICE（ 用于調試WDM驅動程序 ）等開發工具。④由于DriverWorks 所用的類庫是對 DDK 函數的封裝，必須在 VC中編譯，創建自己的庫文件。⑤設置 DDK 路徑。

　　2、利用DriverStudio 的DriverWorks生成USB設備驅動程序框架

　　驅動程序開發平臺搭建成功后，我們可利用驅動程序生成向導Driver Wizard，根據硬件設置較為容易的生成USB設備驅動程序的大體框架。本人的設置如下：①選擇WDM的驅動程序類型和Windows 2000運行平臺。②選擇USB總線類型，系統選擇的USB芯片是Philip公司的ISP1581，填寫它的VID（供應商ID）和PID（設備ID），這些信息由芯片的供應商提供。③增加端點1和端點2，它們分別具有IN和OUT屬性。④根據需要選擇對設備的操作有：Read、Write、Device Control和CleanUp。⑤選擇給端點2產生BULK Read和Write的代碼, 向導會自動產生一套對端點2進行讀、寫的代碼。⑥設置驅動程序的屬性，采用WDM接口；在選取讀寫方式時應遵循一條原則：需要快速傳送大量數據時，用 Direct I/O ，反之用 Buffer I/O ,這里選擇BufferI/O；由于無特殊的電源需求，故選用系統默認的Manage Power For This Device。⑧增加IOCTL接口，在其生成的代碼框架中加入自己的操作，以實現一個完整的USB設備驅動程序。最后就生成了一個WDM型的USB設備驅動程序框架和一個測試該驅動程序的測試程序大體框架。然后在其中添加需要的功能代碼。

　　3、USB設備驅動程序中的關鍵例程代碼實現

　　下面以我們的驅動程序為例，介紹USB驅動程序開發中的幾個關鍵例程的實現。本驅動程序的主要功能是控制USB設備上LED燈通斷并且對設備進行讀寫。

　　1) 初始化例程 DriverEntry（）

　　設備驅動程序與應用程序不同，它沒有main()或WinMain（）函數，而是有一個名為DriverEntry（）的入口函數，它通常完成一些初始化工作。當設備驅動程序被加載時，操作系統調用這個入口。在使用DriverWizard 創建的驅動程序基本框架中，DriverEntry（）函數已經寫好了，無需添寫代碼。在該例程中，驅動程序要向操作系統登記并注冊一些消息處理器，通過RegistryPath來找到位于注冊表中的驅動程序參數，當驅動程序正確安裝后，在注冊表KEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Service 下可以找到MyUSB 項。而用DDK編寫該入口函數還需初始化Dispatch（分派）例程入口。

　　2) 創建設備例程 AddDevice（）

　　大多數的PDO 都是在 PnP 管理器調用該程序入口點時被創建的。插入新設備后，系統啟動時，總線枚舉器會發現總線上的所有設備，會自動尋找并安裝設備的驅動程序，并由驅動程序中的處理 PnP 功能模塊自動處理 AddDevice() 例程及其他PnP消息。此例程使用IoCreateDevice() 函數創建設備對象，再使用 IoRegisterDeviceInterface() 函數將設備組成為一個特定的設備接口，然后使用IoAttachDeviceToDeviceStack() 函數關聯設備棧。

NTSTATUS MyUSBDevice::AddDevice( PDEVICE_OBJECT Pdo ) { 　// 產生一個DDK中KDevice類新的設備對象 　MyUSBDevice *pDevice = new ( static cast<PCWSTR>( KUnitizedName(L“MyUSBDevice”，m_Unit) ),// 設備名 　　FILE_DEVICE_UNKNOWN， // 設備類型 　　NULL， // 指針鏈接名 　　0， // 設備特征標志位 　　DO_BUFFERED_IO| DO_POWER_PAGABLE）； // I/O傳輸方式 　MyUSBDevice(Pdo, m_Unit)； 　if ( pDevice == NULL ) 　{ 　　return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES； 　} 　NTSTATUS status = devices -> ConstructorStatus()； 　if ( !NT_SUCCESS(status) ) // 不成功，返回錯誤狀態并刪除指針 　{ 　　delete pDevice； 　} 　else // 如果成功，向系統報考設備的電源狀態變化為PowerDeviceD0 　{ 　　m_Unit++； 　　pDevice -> ReportNewDevicePowerState( PowerDeviceD0 )； 　} 　return status； }

　　3) LED控制處理例程 MyUSB_IOCTL_LED_Handler()

　　該例程是實現本驅動程序功能的關鍵例程，它是用來控制設備上的LED燈通斷，主要利用USB Vendor Request來向設備傳送。其中，request=1的時候表示讓LED亮，request=0的時候讓LED滅。它是通過DeviceControl由上層應用程序傳下來。實現代碼如下：

NTSTATUS MyUSBDevice::MyUSB_IOCTL_LED_Handler(KIrp I) { 　NTSTATUS status = STATUS_INVALID_PARAMETER; 　//檢查輸入參數是否正確，如果不正確，返回STATUS_INVALID_PARAMETER 　if(I.IoctlOutputBufferSize() || !I.IoctlBuffer() ||(I.IoctlInputBufferSize() != sizeof(UCHAR))) 　　return status; 　//處理MyUSB_IOCTL_LED_ON請求 　PURB pUrb = m_Lower.BuildVendorRequest(NULL, // 傳輸緩沖區 　　0, // 傳輸緩沖區大小 　　0, // 請求保留位 　　(UCHAR)(*(PUCHAR)I.IoctlBuffer()), // 請求1＝LED_ON ,0=LED_OFF 　　0 ); // 值 　//向下傳送URB 　status = m_Lower.SubmitUrb(pUrb, NULL, NULL, 5000L); 　//若請求在此處理，設置I.Information指示多少數據拷貝回用戶 　I.Information（）＝0； 　I.Status（）＝status； 　return status; }

　　4) 訪問硬件例程 DeviceControl()

　　上層應用軟件程序就是通過此例程來將IRP傳到下層。

NTSTATUS MyUSBDevice::DeviceControl(KIrp I) { 　NTSTATUS status; 　switch (I.IoctlCode()) 　{ 　　case MyUSB_IOCTL_LED: 　　　status = MyUSB_IOCTL_LED_Handler(I); 　　　break; 　　default: // 未被聲明的I/O 控制請求 　　　status = STATUS_INVALID_PARAMETER; 　　　break; 　} }

　　限于篇幅，這里僅介紹本驅動程序中的部分例程實現代碼。編寫完驅動程序后，首先在Visual C++ 中編譯通過，然后連接硬件，用DriverStudio 工具包中的SoftICE調試器調試該驅動程序，并且修改編譯DriverStudio產生的該驅動程序的測試程序，就通過命令行來測試我們的驅動程序。最后對于LED的控制，我們可以直觀的在設備上看到。

　　結束語

　　USB技術的不斷發展和完善，已經使其逐漸成為先進總線接口技術的標志和方向，如今USB OTG標準已經發布，那么USB的應用領域也將越發的廣泛。開發一些特定功能的USB接口并設計其設備驅動程序也將成為應用USB技術的關鍵。通過對USB的學習和Windows 2000下的WDM驅動程序的研究，本文已經給出了編寫WDM型USB設備驅動程序的一般方法，讀者可以在實際應用中逐步提高對USB和驅動程序的認識，取得事半功倍的效果。