（测试计量技术及仪器专业论文）usb接口驱动程序的设计与开发.pdf

摘要 摘要 通用串行总线( u s b - u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是计算机与外部设备连接的新型 接口，相对于p c 传统的串并行接口，u s b 具有诸多优点如较高的数据传输率、 即插即用、热插拔、易扩充和低成本等。 随着u s b 接口的普及，大量嵌入式应用开始考虑将u s b 集成到系统中。这 当中一部分是设计作为p c 外围设备，而另一部分则是为使用p c 外围设备的 u s b 主机。在u s b 系统结构中，u s b 主机处于核心地位。任何一次u s b 数据 传输均由u s b 主机发起和控制，所有u s b 设备只能和u s b 主机建立连接，而 两个设备之间无法进行直接通信。 u s b 2 0 通信协议是本文重点研究的内容之一，从u s b 通信模型、封包、数据 的传输类型等几方面对该协议进行了较详尽的分析和阐述，并结合i s p l 5 8 1 接口 芯片设计的u s b 系统详细讨论了芯片的固件程序设计。 本文另一个重点研究的内容是w i n d o w $ x p 操作系统内核模式下的w d m 驱 动程序。通过对其特点、关键概念、开发方法进行介绍后，将着重分析该模式下 的u s b 驱动程序的架构。采用n u m e g ad r i v e r s t u d i o 开发u s b 设备驱动程序是本 文的一个特色，使用该工具构建u s b 设备驱动程序的方法和其中关键例程的实现 都可以作为今后w d m 驱动程序研究和开发的借鉴。 在完整的u s b 接口设计中，上层应用程序也扮演了很重要的角色。本文重点 编写了一个采样测试应用程序，来验证我们开发的u s b 接口完成硬件板与p c 主 机之间的通信情况。最后，本文对我们在研究和开发u s b 接口工作中的不足之 处和需要改进的地方进行了总结，同时也展望了u s b 发展的美好前景。 关键词：u s b 通信协议i s p l 5 8 1 固件程序设备驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u si san e wi n t e r f a c ef o rc o n n e c t i n gp e r i p h e r a ld e v i c e st o c o m p u t e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp ci n t e r f a c e ss u c ha ss e r i a la n dp a r a l l e lp o r t ， t h eu s bh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rd a t at r a n s f e rt h r o u g h p u t , p l u g a n d - p l a y , h o ts w a p p i n g ，e x p a n d a b i l i t ya n dl o w - c o s te t c w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h eu s bi n t e r f a c e ，al o to fe m b e d d e da p p l i c a t i o n ss t a r t t ot h i n ki n t e g r a t i n gu s b p o r ti n t os y s t e m s o n ep a r to ft h ea p p l i c a t i o n si sd e s i g n e da s p cp e r i p h e r a l s ，t h eo t h e ri sd e s i g n e da su s bh o s ti no r d e rt ou s et h ep e r i p h e r a l s t h e u s bh o s tt a k e su pt h ec o r ep o s i t i o ni nt h eu s bs y s t e ma r c h i t e c t u r e e a c hu s bd a t a t r a n s f e ri si n i t i a t e da n dc o n t r o l l e db yt h eh o s t e v e r yu s bd e v i c ec a no n l yc o n n e c tt o t h eh o s ta n dc a l ln o tc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rd i r e c t l y t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h eu s b2 0 i so n eo ft h ec o n t e n tt h a t t h i s d i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sm a i n l y t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h ep r o t o c o lf r o mu s b c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，u s bp a c k e t s ，u s bt r a n s m i s s i o nt y p e sa n ds oo n a n d , t h i s d i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nu s bf i r m w a r eo ft h eu s bs y s t e m w h i c hi sd e s i g n e db a s eo ni s p l 5 8 1 t h eo t h e ro n ee m p h a s i sc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni st h ew d md r i v e ru n d e r w i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e mk e r n e lm o d e t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sw d mf r o m t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，m a i nc o n c e p t sa n dd e v e l o p m e n tm e t h o d sd e t a i l e d t h ea r c h i t e c t u r e o fu s bd r i v e rt h a ti sp a r to ft h ew d md r i v e ri se x p o u n d e ds e q u e n t i a l l y o n ef e a t u r eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st od e v e l o pu s bd e v i c ed r i v e rb yn u m e g ad r i v e r s t u d i o s o m e p i v o t a lt e c h n i q u ea n di m p l e m e n tp r o c e s si nt h ed i s s e r t a t i o nc a l lb ec o n s i d e r e da st h e r e f e r e n c eo fo t h e rd r i v e rd e v e l o p m e n ti nf u m r e t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fu s b i n t e r f a c e t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n sa s a m p l i n gt e s ta p p l i c a t i o np r o g r e s st ov a l i d a t et h e c o m m u n i c a t i o na b i l i t yo fo u ru s bh a r d w a r eb o a r d 、珩n 1t h ep ch o s t i nt h ee n d , t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c l u d e st h es h o r t a g ei no u rr e s e a r c hw o r kt od e v e l o p u s b i n t e r f a c e 。a p a r tf r o mt h i s ，t h ed i s s e r t a t i o na l s ob r i n g sf o r w a r ds o m ea s p e c t st h a t a b s t r a c t n e e di m p r o v ei nf u t u r ew o r k s i m u l t a n e i t y , i ts u p p o s e st h ef i n ep r o s p e c ta b o u tu s b d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：u s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i s p1581 ，f i r e w o r kp r o g r a m ，u s bd e v i c e d r i v e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：氢丝圭 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 盈垃导师签名：粒 日期：年月 日 第章引言 1 1 问题的提出 第一章引言 在电子科学技术高速发展的今天，随着计算机硬件飞速发展，外围设备日 益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早己为人所共知，数码 相机、m p 3 随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入个人计算机? u s b 就 是基于这个目的产生的【l 】。u s b 是一个使计算机周边设备连接标准化、单一 化的接e l ，其规格是由i n t e l 、n e c 、c o m p a q 、d e c 、i b m 、m i c r o s o f c 、n o r t h e r n t e l e c o m 联系制定的。 本课题来源于国家自然科学基金面上项目：模拟v l s i 电路故障诊断的多特 征提取方法。故障诊断获得的信号在经过d s p 处理后需要传输到p c 机上，使用 传统的r s 2 3 2 传输己然不能满足数据的要求，因此为了提高传输速度和方便使用， 我们选用了目前最流行的接口u s b 。 随着u s b 3 0 的发布，u s b 必将越来越流行，其应用肯定也会越来越广泛。 u s b 系统的开发领域中使用最广泛的是u s b 功能设备的开发，其实现过程也因具 体情况的不同而有所改变，在实际的开发过程中还需要解决具体的问题。因此本 课题的研究还是具有其实用价值和现实意义的。 1 2u s b 简介及发展现状 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线) 是应用于计算机领域的用于外围 设备与计算机进行连接的接口技术。它最初是由c o m p a q 、i n t e l 、n e c 、m i c r o s o f t 等公司共同提出的，其目的是简化p c 机和外设的连接过程，使p c 接口的扩展变 得更加容易。 u s b 端口支持多个外设的连接，它采用“菊花瓣 式的连接方式把所有的外 设连接起来，最多可连接的1 2 7 个外设。u s b 版本的发展到目前为止经历了3 代： 1 2 m b p s 速度的1 0 1 1 版本，4 8 0 b i b p s 速度的2 o 版本及目前的5 g b p s 的u s b 3 0 版本。此外， u s bo t g ( o n - t h e - g o ) 的发布使得u s b 可以脱离主机的限制就进 行设备间点对点的数据传输，从而使u s b 有了更广泛的应用领域。 电子科技大学硕士学位论文 u s b 接口之所以能够得到越来越广泛的应用是因为u s b 具有以下特点： 支持即插即用和热插拔：u s b 实现了自动配置，不再需要手动配置i 0 地 址和中断请求。用户在任何时候连接或断开u s b 外设都不会损坏p c 机和 u s b 外设。 应用广泛：可提供低速、全速、高速，甚至5 g b p s 的多种传输速度。可支 持对多个设备的同时操作，可连接物理设备数多达1 2 7 ；可在主机和设备间 传输多个信息流和数据；利用底层协议，提高了总线利用率。 灵活性：u s b 支持4 种数据传输率：1 5 m b p s 的低速传输、1 2 m b p s 的全速 传输、4 8 0 m b p s 的高速传输、5 g b p s 的超高速传输；4 种传输类型：块传输、 同步传输、中断传输和控制传输，使其适合多种外设的需要。 可靠性：出错处理差错恢复机制在协议中使用；u s b 硬件设计消除了大多 数可能引起数据错误的噪声。 兼容性：u s b 规范有良好的向下兼容性，对现存操作系统接口有良好衔接。 成本低廉：u s b 能实现强大的功能，但是它的组件和电缆并不贵，因此也 促进了低价格u s b 外设的发展。 u s b 自1 9 9 6 年推出至今已经经历了1 3 年的发展，从第一代的u s b l 0 1 1 到 第二代的u s b 2 0 直至现在的第三代u s b 3 0 ，凭借其各种优点，u s b 接口已成为 接口技术的领头羊。在去年1 1 月份举行的超高速u s b 发展会议上，由i n t e l 、微 软、惠普、德州仪器、n e c 、s t - n x p 等业界巨头组成的u s b3 0p r o m o t e rg r o u p 宣布，该组织负责制定的新一代u s b3 0 标准已经正式完成并公开发布。新 规范提供了十倍于u s b2 0 的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于p c 外 围设备和消费电子产品 2 1 。但是目前市场上尚无支持u s b 3 0 的硬件产品出 现。 在数据文件越来越大，硬盘都论t b 计算的今天，u s b 2 0 的速度对于快速增 长的储存设备容量来说显然是捉襟见肘，u s b 3 0 也就在这种环境下应运而生了。 u s b 3 0 的最大传输带宽高达5 g b p s ，也就是6 2 5 m b s 。u s b2 0 基于半双i - - 线 制总线，只能提供单向数据流传输，而u s b3 0 采用了对偶单纯形四线制差 分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原 因【3 1 。 2 第一章引言 1 3u s b 和其他接口的比较 u s b 接口技术突破传统i o 模式的束缚，找到了一条外设与p c 机连接的新方 法，与传统接口相比具有许多优点。表1 1 是u s b 接口和传统接口的一个简单比 较。 表卜1u s b 接1 ：3 与传统接口的比较嘲 接口名称速度特点 串行口6 一l1 5 k b p s所需的电缆最少( 最少为3 根) ，通讯距离较 远( 2 0 m ) ，一次传一位，速度较慢。 并行口6 0 9 2 0 k b p s所需的电缆较多( 最少为5 根) ，通讯距离较 短( 二一 ni 总线复位处理 总线挂起处理 赢磊重新开痞= 兰一总线重新开始处理 一s e t u p 包事务处理- 纠包事务处理 ! = _ 一端点1 矾事务处理 一端点l o u t 事务处理 结束 图3 - 9 u s b 事务中断流程图 在整个u s b 中断事务处理子程序中，最重要的部分是s e t u p 包事务处理子 程序，它是整个u s b 通信的关键。u s b 标准请求就是在这个子程序中处理的，而 只有实现了这些标准请求，u s b 设备才能真正和主机之间完成功能通信。端点i l n 事务处理和端点1 0 u t 事务处理是实现功能传输的子程序。 为了更好的设计固件程序，本人在程序中设计了几个关键的结构体和函数， 下面将首先列出这些结构体和函数的实现。 这些结构体有：s e t u p 事务请求格式、u s b 事件标志和u s b 设备状态等。 3 2 奈艾曼警 第三章u s b 固件程序的设计与实现 s e n j p 事务请求格式 t y p e d e fs t r u c t _ d e v i c e r e q u e s t u n s i g n e dc h a rb m r e q u e s t t y p e ；请求类型 u n s i g n e dc h a rb r e q u e s t ； u s b 请求 u n s i g n e ds h o r tw v a l u e ； u s b 请求值 u n s i g n e ds h o r tw l n d e x ； u s b 请求索引 u n s i g n e ds h o r tw l e n g t h ；计数长度 ) d e v i c e _ r e q u e s t ； u s b 事件标志 t y p e d e fu n i o nu s b i n 忑jl a g s t r u c tu s bf l a gb i t su s b 事件标识位 u ir e s e t： 1 ；总线复位 i j is o f： 1 ；起始包中断 u ip s o f： 1 ；假起始包中断 u is u s p： 1 ；总线挂起 u 1r e s u m e： 1 ；总线重新开始 1 3 ih ss t a t： 1 ；高速状态 u id m a： l ：d m a 中断 u ir e s e r v e d 3 ： 1 ； u ie p o s e t u p ： 1 ；为1 则端点o 接收到s e t u p 包 u ir e s e r v e d 2 ：1 ： u ie p o r x： 1 ；为1 ，中断源是端点0 的r x ( 接收) 缓冲区 u ie p o t x：1 ；为1 ，中断源是端点o 的t x ( 传送) 缓冲区 i j ie p 7 r x ： 1 ； u ie p 7 似： l ； u ii 也s e r v e d l： 6 ； b i t s ； i l lv a l u e ； 。 u s bi n a 玉l a g ； u s b 设各状态 t y p e d e f s t r u c tu s b d e v i c e s t r u c tu s b d e v i c e b i t s u ir e m o t ew a k e u p ： l ；远程唤醒 u ih a l t： 1 ；设备终止 3 3 电子科技大学硕士学位论文 u is e l fp o w e r e d u ie n d p l h a l t u it e s tm o d e u is t a t e u ia l t e ri n t e r f a c e ： 1 ；自供电 ： 1 ；端点禁止 ： 1 ；缬4 试方式 ： 3 ；设备状态 ： 1 ；激活选定的接口 b i t s ； ) u s b _ d e v i c e ； 本文对u s b 事务中断处理子程序的设计除了上述几个关键结构体外还定义了 几个关键函数：读取端点数据函数r e a d 和接收端点数据函数_endpoint w r i t e e n d p o i n t 。 v o i dr e a de n d p o i n t ( u n s i g n e dc h a re n d p ，i n tl e n , u n s i g n e di n t 宰b u r ) 函数功能：读取选定端点的数据。 入1 2 1 参数：e n ( 端点号) 、l e n ( 数据长度) 和b u f ( 缓冲区指针) 。 函数实现：首先根据参数选择端点，然后将端点缓冲区的长度设置成入口参数 中的数据长度，再将这个端点缓冲区中的数据一个个的送到缓冲区指针所指的 d s pf i f o 缓冲区中，直到所有数据被送完为止，最后清空端点缓冲区。 v o i d w r i t e _ e n d p o i n t ( u n s i g n e dc h a re n d p ，u n s i g n e di n tl e n ，u n s i g n e dm t 场u f ) 函数功能：发送数据到选定端点。 入口参数：e n d p ( 端点号) 、l e n ( 数据长度) 和b u f ( 缓冲区指针) 。 函数实现：先选择端点并将端点缓冲区的长度设置为l e n ，然后将b u f 所指的 缓冲区数据一个一个传输到i s p l 5 8 1 的数据端口寄存器。 前文说过，s e t u p 包事务处理是实现u s b 通信的关键，它只能在控制端点实 现，对主机发出的s e t u p 包进行响应和处理的，具体流程如图3 1 0 所示。这里需 要说明的是：图中读取u s b 请求时由于i s p l 5 8 1 读取数据寄存器时先读取低位的 值，所以需要对1 6 位的数据进行高低位交换。 第三章u s b 固件程序的设计与实现 匕到 l 清除端点o i s e t u p 中断标志 山 l 清除总线复位标志 上 i 选择端点。s e y t r v 獭- 】 上 l 读取u s b 请求 0 i 调用u s b 标准请求函数 上 f 结束 、) 图3 - 1 0s e n j p 包处理流程 s e t u p 包处理流程调用了u s b 标准请求函数。这些请求的主要功能是完成 u s b 设备的配置操作。本固件按照u s b 协议定义了1 1 种设备请求，其具体流程 图如图3 1 1 所示，这里所涉及的描述符在u s b h 都有完整的定义。需要说明的是： 图中玳表示数据传输方向是从设备到主机，0 u t 表示数据传输方向是从主机到设 备。由于某些标准请求设备不支持或者没有必要支持，因此只定义了相应的标准 请求处理函数，但在实现时只执行空操作或者设置成请求出错状态。 5 5 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 1u s b 标准命令请求流程图 下面将具体阐述11 u s b 标准请求命令中关键的几个标准请求，这里包括：获 取描述符请求、设置地址请求、设置配置请求等。 获取描述符请求( g e td e s c r i p t o r ) ：它是用于主机读取指定的描述符。 g e t _ d e s c r i p t o r 请求仅支持3 种类型的描述符：设备( 包含设备限定) 描述符、 配置( 包含其它速率配置) 描述符和字符串描述符。接口描述符、端点描述符、 设备类定义描述符和供应商自定义描述符都将作为配置信息，由g e t d e s c r i p t o r ( c o n f i g u r a t i o n ) 请求随配置描述符一起返回。该请求的工作流程图如图3 1 2 ： 第三章u s b 固件程序的设计与实现 图3 1 2 获取描述符流程图 设置地址( s e ta d d r e s s ) ：它用于为u s b 设备分配一个唯一的设备地址。在 u s b 设备插入主机后进行枚举时，主机发送该请求给设备分配一个新的地址， 以取代默认地址( 默认地址为0 ) 。主机分配给u s b 的设备地址包含在前面 定义的s u e u p 事务请求格式的w v a l u e 中，其值范围为0 1 2 7 。主机发出设置 地址请求后，i s p l 5 8 1 会将响应该请求并根据主机所给的设备地址值进入不同 的设备状态。值得注意的是i s p l 5 8 1 是使用默认地址完成对设置地址请求的处 理且该请求无数据阶段，而改变地址操作是在请求状态结束之后才完成的，这 一点不同于其它标准u s b 设备请求。该请求的工作流程如图3 1 3 所示： 3 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 3 设置地址流程图 设置配置( s e t _ c o n f i g ) ：它用于请求为u s b 设备选择一个合适的配置。s e t u p 事务格式中的w v a l u e 字段中存放该配置值，它必须与配置描述符中的 b c o n t i g u r a t i o nv a l u e 字段值相匹配，也可以为零。如果该配置值为0 ，i s p l 5 8 1 仍将停留在地址状态，否则将进入配置状态。工作流程如图3 1 4 所示。 图3 1 4 设置配置流程图 3 8 第三章u s b 固件程序的设计与实现 上述三种标准请求是u s b 设备必须响应的，其它标准请求可根据设备功能的 不同进行响应。本固件目前只用于完成u s b 设备和主机之间的通讯，只要完成这 几种标准请求即可，其它的标准请求设备不作响应。 3 4 本章小结 到此为止，本人在c c s 集成开发环境中实现了u s b 固件程序的设计开发。接 着可以使用d s p 并口仿真器s t u d y e e p 把它下载到f 2 8 1 2 中。本章介绍的u s b 固 件程序的开发采用自顶而下的方法，首先从从编程思想对固件的设计做了结构分 析，然后再从总体上介绍了整个固件设计所涉及的主要文件，最后把固件分成初 始化模块、主循环和中断处理程序3 部分详细阐述了固件的具体实现。下一章将 在介绍w d m 型驱动的基础上进行u s b 设备驱动程序的设计开发。 3 9 电子科技大学硕士学位论文 第四章u s b 设备驱动程序的设计与实现 开发个u s b 外围功能设备，除了设计设备端的固件程序外还需提供连接到 硬件设备的软件接口- u s b 设备驱动程序。u s b 硬件设备的内部实现并不为主机 所知道，所以要通过设备驱动程序提供一个可用的接口来访问u s b 设备。u s b 设 备驱动程序要能够可靠的完成数据信息的传输和处理，使主机和设备之间的通信 成为可能。 开发驱动程序就离不开操作系统，本章将对w i n d o w s 2 0 0 0 x p 操作系统作一个 简要描述。 4 1w i n d o w s 2 0 0 0 x p 操作系统概述 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 的系统结构如图4 - 1 所示。软件要么执行在用户模式中，要 么执行在内核模式中忉。 图4 - 1w m d o w s 2 0 0 0 x p 系统结构图 第四章u s b 设备驱动程序的设计与实现 当上层应用程序需要和硬件通信时，它首先调用w i n 3 2a p i 函数发出i o 请求， 而w m 3 2 子系统模块负责完成该a p i 函数并调用内核模式支持例程，最终把该i o 请求封装成i o 请求包( i r p ) ，并把这个数据结构送到驱动程序进行处理。如果是 u s b 设备，该请求被发送到u s b 设备驱动程序，u s b 设备驱动又将该i r p 请求包 含在一个称为u s b 请求块( u i 也) 中发送到总线驱动程序并最终由u s b 控制器访问 设备硬件。 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 系统可以使用多种驱动程序，图4 2 显示了w i n d o w s 2 0 0 0 x p 系统的设备驱动种类【_ 。 图4 - 2w i n d o w s 2 0 0 0 x p 系统的设备驱动分类 如图4 2 所示内核模式驱动程序的分类包含文件系统驱动、显示驱动等诸多子 类。不同类型的硬件设备需要采用不同类型的驱动程序。p 1 1 p 设备是支持即插即用 的设备，驱动该类硬件设备必须使用遵循w i n d o w sx p 即插即用协议的p 1 1 p 驱动 程序。 本文要开发的u s b 设备驱动程序是w d m 型的，它不直接和设备硬件打交道。 而w d m 驱动程序是一种p n p 驱动程序，它采用分层的结构把驱动程序分成几个 层次，各层上的w d m 驱动程序具体不同的优先级。这种分层结构使得w d m 驱 动程序的应用更加广泛，其可包括文件系统、网络组建和专用设备等。 4 1 电子科技大学硕士学位论文 4 2w d m 驱动程序模型概述 w d m 属于操作系统的内核模式，其驱动程序由运行于内核模式的系统级代码 组成；它采用灵活的分层驱动方法，且各层上的w d m 驱动程序具有不同的优先 级。u s b 设备驱动程序就是一种典型的w d m 驱动程序4 1 。 4 2 1w d m 概述 在w d m 驱动模型中，每个硬件设备的驱动程序通常由功能( f u n c t i o n ) 驱动程 序和总线( b u s ) 驱动程序组成。前者就是本文要设计的设备驱动程序，它会为用户 提供合适的设备控制方式，负责完成设备的初始化，处理i o 操作产生的中断事件， 正确的完成内核和设备之间的接口功能，实现它们之间的数据的双向传输，检测 甚至处理异常事件。后者主要管理设备和计算机之间的互联，枚举并管理总线上 的设备。 w d m 驱动程序运行在系统内核模式，它可以执行任何有效的c p u 指令，当 然也包括用户发出的i o 操作请求。用户发出的i o 请求被w i n 3 2 子系统处理后发 送到w d m 驱动程序上并由这些i o 请求指明驱动程序的具体操作。这些i o 请求 将涉及到一个重要的内核模式对象：i r p 。 i r p 即i o 请求包，它是从系统非分页式内存池中分配的一个数据结构，它包 含一个固定大小的首部( i os t a t u sb l o c k ) 和一个可变大小的堆栈 ( i os t a c kl o c a t i o n ) 。i r p 首部含有i r p 自身的属性，通常包含y o 请求的管 理信息，其长度是固定的。i r p 首部包括一个s t a t u s 字段和一个i n f o r m a t i o n 成员 变量，前者用于保存y o 请求处理之后的状态，候着用于设置状态值。i r p 堆栈由 一个或多个i o 栈单元组成，其内部包含该i o 请求的函数代码和参数。i o 栈单 元的个数由驱动程序的层数来决定。 4 2 2w d m 型的u s b 驱动程序架构 与其他设备的w d m 型驱动一样，u s b 设备的w d m 驱动程序也采用分层结构：顶 层为u s b 设备驱动程序( 这也是本文所要开发的驱动程序) ，对于某些设备可能还有 中间层驱动程序，最后一层为u s b 总线驱动程序，它负责和u s b 硬件打交道，如 图4 3 所示。 4 2 第四章u s b 设备驱动程序的设计与实现 用户模式臣塑画 图4 - 3w d m 型的u s b 驱动程序分层体现结构 如上图所示，u s b 设备驱动程序并不和硬件交互，这和其它传统的总线不一 样。对u s b 设备驱动程序来说，它靠创建u p b ( u s b 请求块) 并把u r b 提交到总 线驱动程序，最终由总线驱动来完成相应的设备操作。总线驱动程序理解u s b 通 信机制，并知道如何和u s b 设备进行数据的传输。当它接收到设备驱动请求包时， 会把这些请求数据重新组织成具有u s b 特定格式的事务来进行传输。 结合上图，可以将设备和主机通信流程简述如下：当用户要与u s b 设备进行 数据传输操作时，上层应用程序调用w i n d o w sa p i 函数进行i o 请求，并把它传 递给u s b 设备驱动程序。这个i o 请求包传递至设备驱动程序后，设备驱动程序 根据该请求包中包含的i o c t l 进入相应的派遣例程进行处理，在派遣例程中根据 不同的传输类型构造相应u s b 请求块( u r b ) ，然后传递给u s b 总线驱动程序 ( 某些设备可能需要经过中间层驱动程序处理) 。u s b 总线驱动程序根据i r p 中 所含的u r b 执行相应的操作，并把所要传输的数据组织成u s b 事务传输给u s b 设备，然后把该i r p 操作的结果返回给u s b 设备驱动程序。由u s b 设备驱动程 序层层向上将i r p 操作结果传回给应用程序完成本次数据传输。 4 3u s b 设备驱动程序的框架设计与实现 编写设备驱动程序必须和实际的u s b 硬件设备相结合，使用合适的开发工具。 本节首先简要介绍使用的开发工具n u m e g ad r i v e r s m d i o 及其开发驱动程序的环境 建立，然后介绍设备驱动程序框架的生成。 电子科技大学硕士学位论文 4 3 1n u m e g ad r i v e r s t u d i o 简介及驱动程序框架的生成 n u m e g ad r i v e r s t u d i o 是c o m p u w a r e 公司针对设备驱动开发推出的基于应用层 技术的设备驱动程序工具。d r i v e r s t u d i o 提供的工具可以使程序员快速的开发出 更可靠的设备驱动程序，从而加速设备驱动开发的关键阶段。 d r i v e r s t u d i o 主要功能模块包括：d r i v e r w i z a r d 工具( 可自动产生设备驱动程 序的大体框架) 、s o f t i c e ( 可以对内核驱动程序进行侦错调试) 、v i s u a ls o f t l c e ( 提 供多部p c 机内核驱动程序的调试功能) 、t r u e t i m ed r i v e re d i t i o n ( 可检查执行缓 慢的程序代码，提高程序的效率) 等。本设备驱动程序的开发主要使用的是 d r i v e r w i z a r d 工具和s o f t i c e 。 d r i v e r s t u d i o 的特色之处在于它提供的设备驱动程序开发工具可以提高开发 速度，改善测试性能和程序的健壮性。由于它是一个驱动程序开发工具包，下面 将利用其中的d r i v e r w i z a r d l 具和开发一个设备驱动程序，并利用s o f t l c e 调试所 开发的设备驱动程序。 4 3 1 1 建立n u m e g ad r i v e r s t u d i o 开发驱动程序的环境 正确安装驱动程序开发所使用的软件，建立驱动程序开发的平台是开发驱动 程序的前提条件。只有正确安装了开发环境，才能进一步开发正确的设备驱动程 序。不少人在这上面走了弯路，本人在开发过程中也有此体会。因此有必要在这 里阐述一下软件的安装步骤，给他人一份借鉴的经验： 1 、安装w i n d o w s x p 系统； 2 、安装v i s u a lc + + 6 0 ； 3 、安装x pd d k ； 4 、安装d r i v e r s t u d i o 驱动程序开发工具包； 5 、安装s o f t i c e 等调试软件。如图4 - 4 所示设置s o f t i c e 。 第四章u s b 设各驱动程序的设计与实现 l n 罴“簟呓i = 蒜 l 一r h * t 9 一o + w l ；娶 一一m l ：。i 曼墓4 丽一。 l i ，鎏篆 仓“一 l ：器一。，。 l 一二掣霉n t i 一 l = 兰兰了i ；一：。- 例4 4s o f t l c e 设置效果圈 图4 - 5d d k 环境变量设置效果图 电子科技大学硕士学位论文 6 、设置d d k 路径。d d k 路径设置正确与否关系到后面程序的编译能否成功， 因此一定要设置正确。由于每次进入v c 工程都须设置这个路径十分繁琐，解决办 法是在系统) 高级) 系统环境变量中新建一个系统变量b a s e d i r 其值为d d k 的安装路径。设置情况如图4 5 所示。 7 、在x 8 6 环境下编译d s 源库v d w l i b s d s w 。这一步非常重要，只有编译完了 这个源库才能编译自己编写的驱动程序。 4 3 1 2 利用n u m e g ad r i v e r s t u d i o 工具生成驱动程序的框架 d r i v e r s t u d i o 工具在开发设备驱动程序上十分便利，利用它可以生成驱动程序 的大体框架。虽然生成的驱动程序由于没有具体的硬件操作不能实现具体的功能， 但它建立了设备驱动程序的外在框架，我们可以根据需要进行功能模块的添加设 计，而不用花费精力在全局设计上。下面将结合实际开发中如何利用d r i v e r w i z a r d 工具生成驱动框架加以阐述，这里的序号是实际设置过程中的序号，采用缺省的 步骤就不在这介绍了。 第一步：输入工程路径，建立工程。本驱动程序中工程名为“u s b d r i v e r ”，存 放路径为“f ：u s b d r i v e r ”。 第二步：选择驱动程序模式。本驱动程序采用的是前文介绍的w d m 型设备驱 动。 第三步：选择w d m 型驱动程序的具体类型。此处选择w d m 功能驱动程序。 第四步：选择总线类型。这里先选择u s b 总线，然后根据i s p l 5 8 1 芯片的厂 商i d 和产品i d 在相应的v i d 栏目中天上0 4 c c ，在p i d 栏目中填写1 5 8 1 。 第五步：添加和设置用于数据传输的端点。这里添加了六个端点，其中 me n d p o i n t i i n 和m是块传输端点，最大传输包大小为 字endpointl o u t51 2 节；me n d p o i n t 2 i n 和m 是中断传输端点，最大传输包大小为endpoint20ut 1 0 2 4 字节；m和 是同步传输端点，最大传输包e n d p o i n t 3 i n me n d p o i n t 3 0 u t 大小为1 0 2 4 字节。在这一步，还要设置每个u r b 传输的最大数据量，这里统 一设置为6 5 5 3 6 字节，这是一个能影响u s b 传输数据的参数，在允许的范围 内越大越好。设置完毕后效果如图4 6 所示。 第四章u s b 设备驱动程序的设计与实现 图4 6 承加i j s b 端点示意图 第六步：选择驰动程序支持的例程。在这罩可以选择以f 的例程：r c a d 、w r i t e 、 d e v l c e1 0c o n ”o 、c l o s e ，c r e a t e 等。在本驱动程序唯面，选择了c l e a n u p 、 c l o s e 、c r e a t e 和d e v i c e l 0 c o n t r o l ，由d e v i c e l 0 c o n t r o l 来实现设备与主机之 问的通信。 第七步：设茕驱动程序属性，如接口、缓冲区z 类的。先选择用接u 方式打开 设备，然后添加i 0 控制码，接着在缓冲区访问方式中采用缓冲方式，如图4 7 所示。驱动程序是运行在内核模式中的软件程序，它可以运行在任何线程环境 中，因此如何正确的访问内存空间是驱动程序所要解决的首要任务。驱动程序 访问用户缓冲区内存的方式有以下二种： b u f f e r 方式；管理器先在内存中创建一个知用户模式数据缓冲大小一 致的系统缓冲区，然后 a 0 管理器负责在系统缓冲区和用户数据缓冲区之间复 制数据j 。 d i m a 方式。1 1 0 管理器锁定用户模式物理地址空问所在的内存页，并创 建内存描述符表( m d l ，m e m o r yd e s c r i p t o rl l s l ) 来描述锁定页”1 。在 这种方式的读写操作中，m d l 通常作为参数传递给其它函数。这种方式通常 用于可以执行d m a 的硬件。 n e i t h e r 方式。在这种方式下，i 0 管理器只把用户模式缓冲区的虚拟地 址传递给驱动程序，其余的工作都要求驱动去完成 7 j 。此方式不能适用于那些 电子科技人学硕士学位论文 具有分层结构的驰动程序。 通过上述3 种方式的