usb驱动程序开发技术总结

一．USB基础知识

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。1994年，Intel、Compaq、 Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了USB论坛，花了近两年的时间形成了统一的意见，于1995年11月正式制定了USB0．9通用串行总线（Universal Serial Bus）规范，1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB1．1是目前推出的在支持 USB的计算机与外设上普遍采用的标准。1999年初在Intel的开发者论坛大会上，与会者介绍了 USB2.0规范，该规范的支持者除了原有的Compaq、Intel、Microsoft和NEC四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。USB2．0向下兼容USB1．1，数据的传输率将达到120Mbps～ 240Mbps，还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。

　　目前普遍采用的USB1．1主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1 .5Mbps和全速 12Mbps两种，低速的USB带宽（1．5Mbps）支持低速设备，例如显示器、 调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全速的USB带宽（12Mbps）将支持大范围的多媒体设备。

USB之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点:

　　1.终端用户的易用性

●为接缆和连接头提供了单一模型

●电气特性与用户无关

●自检外设，自动的进行设备驱动和设置

●外设可以动态连接，动态重置

2.广泛的适用性

●适应不同设备，传输速率从几kb/s到十几Mb/s

●在同一线上支持同步、异步两种传输模式

●支持对多个设备的同时操作

●可同时操作127个物理设备

●在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流

●支持多功能的设备

●利用底层协议，提高了总线利用率

3.同步传输带宽

●确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用

●同步工作可以利用整个总线带宽

4.灵活性

●直接发送一系列指定大小的数据包，允许对设备缓冲器大小进行选择

●通过指定数据缓冲区的大小和执行时间，支持各种数据传输率

●通过协议对数据流进行缓冲处理

5.健壮性

●在协议中使用差错处理/差错恢复机制

●完全实时热插拔

●可以对有缺陷的设备进行鉴别

6.与PC产业的一致性

●协议的易实现性和完整性

●与PC机的即插即用体系结构一致

●与现存操作系统有良好衔接的接口

7.性价比

●以低廉的价格提供传输速率为1.5Mb/s的子通道

●将外设和主机硬件进行了最优化的集成

●促进了低价格外设的发展

●廉价的电缆和连接头

●运用商业技术降低成本

8.可升级性

●体系结构的可升级性支持在一个系统中同时存在多个USB主机控制器

二．USB接口驱动程序的开发

1.设备和驱动程序的层次结构

WDM模型使用了如图所示的层次结构。图中右边是一个设备对象堆栈。设备对象是系统为帮助软件管理硬件而创建的数据结构。一个物理硬件可以有多个这样的数据结构。

在WDM中引入了功能设备对象（FDO）和物理设备对象（PDO）来描述硬件。一个PDO对应一个真实硬件，一个硬件只允许有一个PDO，却可以有多个FDO。在驱动程序中直接操作的不是硬件设备，而是相应的PDO和FDO。PDO和FDO都处于堆栈的最低层。在FDO的上面和下面还会有一些过滤器设备对象(filter device object)。位于FDO上面的过滤器设备对象称为上层过滤器，位于FDO下面(但仍在PDO之上)的过滤器设备对象称为下层过滤器。在用户态和内核态通信方面，系统为每一个用户请求打包形成一个IRP结构，将其发送至驱动程序，并通过识别IRP中的PDO来区分是发送给哪一个设备的。

2.编写驱动程序的基本步骤

(1) 首先编写一个DriverEntry例程。在这个例程中必须设置一系列的回调例程来处理IRP. DriverEntry是内核模式驱动程序主入口点常用的名字。该例程的主要工作是把各种函数指针填入驱动程序对象。这些指针为操作系统指明了驱动程序容器中各种子例程的位置。

（2）编写一个AddDevice例程，它的基本功能是创建一个设备对象并把它连接到堆栈底部为pdo的设备堆栈中。相关步骤如下：调用IoCreateDevice创建设备对象，并建立一个私有的设备扩展对象；寄存一个或多个设备接口，以便应用程序能知道设备的存在，另外，还可以给出设备名并创建符号连接；初始化设备扩展和设备对象的Flag成员；调用IoAttachDeviceToDeviceStack函数把新设备对象放到堆栈上。

（3）编译连接驱动程序。

（4）测试驱动程序。

三．客户端程序的编写

1设备接口

驱动程序的AddDevice代码调用IoCreateDevice创建设备对象。有两种方法提供对Win32程序可用的名称，老的方法是提供一个明确的符号链接名，新的方法是使用设备接口标识支持定义的API的设备。

IoCreateDevice调用有一个DeviceName参数，可以用于为设备指定一个名字。这个名字向内核标识设备，而不是向Win32标识设备。所以需要创建一个符号链接来使内核设备名对Win32可用。

老的方法调用IoCreateSymbolicLink，使用参数传递合适的符号链接名和设备链接名。新方法的主要思想是为设备对象定义一个可用的应用程序编程接口，全局唯一标识符（GUID）用于标识这个接口。GUID必须使用guidgen工具生成，在GUID.h中正式声明自己定义的设备接口。在AddDevice例程中调用IoRegisterDeviceInterface函数注册它的接口，然后调用IoSetDeviceInterfaceState启用这个设备接口。
   2.用户态程序调用驱动程序

EZ-USB系列的ezusb.sys是一个不用修改就可以直接使用的驱动程序，在自行开发外部设备的时候，如果没有非常特殊的要求，完全可以采用这个驱动程序作为设备的USB接口驱动，当然前提是设备必须采用EZ-USB的USB控制芯片。

在ezusb.sys中使用IoCreateSymbolicLink创建符号链接，提供对用户态程序可用的设备名。故用户态程序首先通过调用一个Win32函数CreateFile()来获得设备驱动程序的句柄；然后用DeviceIoControl()函数通过CreateFile()函数返回的句柄，来提交I/O控制代码和相关的输入输出缓冲区到驱动程序，完成在Windows环境下USB数据传输的任务。

3.固件代码、驱动程序和客户端程序的关系

固件代码是非常重要的，他主要实现设备的初始化和配置。驱动程序主要负责对各种IRP的处理，客户端发出IRP实现具体的功能。

以向EZ-USB的2131芯片实现简单的读写为例，数据从EP2OUT输出到芯片，从EP2IN读回到主机。而2131芯片的2端点输出缓冲区的地址为7DC0,输入缓冲区的地址为7E00，这就要求固件程序将2端点输入缓冲区的数据全部复制到输出缓冲区。客户端程序在发出读写命令后，通过CreateFile()函数获得设备句柄，然后调用DeviceIoControl()函数提交I/O控制代码和相关的输入输出缓冲区到驱动程序。驱动程序负责处理有关IRP，实现数据的通信。