嵌入式系统中USB驱动程序设计

摘　要：本文介绍了Windows2000操作系统下，符合WDM模式的USB驱动程序的体系结构及处理流程，并以一个批量数据传输的实例详细介绍了如何编写USB驱动程序。

　　关键词：USB；设备驱动程序；WDM模式

　　引言

　　USB是1995年康柏、微软、IBM, DEC等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种串行总线标准。该总线已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势，被广泛地应用于PC机及嵌入式系统上。

　　目前，虽然Windows2000提供有多种通用的USB驱动程序，但并不满足本嵌入式系统的设计需求，因此本系统采用W i n d o w s DDK(Device Driver Kit)开发工具，自行开发了基于WDM模型的USB设备功能驱动程序。

　　USB驱动程序

　　1.USB驱动程序体系结构

　　运行在核心态的USB驱动程序是基于WIN32驱动程序模型WDM(Windows Driver Model）的，它采用分层驱动程序模型，由USB总线驱动程序和USB功能驱动程序两部分组成，总线驱动程序由操作系统提供，用户只需编写相应的功能驱动程序即可。

　　2.处理流程

　　因为I/O管理器把每一个设备对用户程序都抽象成文件，所以用户程序通过调用文件操作API函数就可以实现与驱动程序中某个设备的通信。
用户程序发送的请求由I/O管理器转换为具有不同主功能代码的IRP(I/O请求包）发送给功能驱动程序。功能驱动程序接收该IRP，在回调例程中根据 IRP中包含的具体操作代码，构造相应的URB（USB请求块，在DDK中有URB结构的定义），把它放到一个新的IRP中，并把这个新的IRP传递给 USB总线驱动程序。USB总线驱动程序根据IRP中所包含的URB执行相应操作，再将操作结果通过IRP返还给功能驱动程序。功能驱动程序接收此 IRP，将操作结果通过IRP返还I/O管理器。最后，I/O管理器将此IRP中的操作结果返回给应用程序。至此，应用程序对USB设备的一次I/O操作完成，其处理流程如图1所示。

　　3.应用实例

　　在本嵌人式系统中，硬件选用了Philips公司生产的USB2.0高速接口器件ISP1581，实现主机与嵌人式系统间的USB数据传输。

　　为了适应各种USB外设的需要，USB提供了四种不同的传输类型。这里，为满足嵌入式系统与主机间大量、可靠的数据交换要求，数据传输选用批量传输方式。

　　USB功能驱动程序的构成及实现

　　本功能驱动程序主要由四个模块组成：初始化模块、I/O模块、即插即用管理模块和电源管理模块。另外，还有一个.INF文件用于驱动程序的安装。

　　★ 初始化模块

　　在初始化模块中，包括有每一个设备驱动程序都有的一个初始化入口点：DriverEntry例程，每次设备驱动程序启动时该例程被系统自动调用，其最重要的功能是设置驱动程序对应于I/O请求的主功能代码(MajorFunction)的回调例程。DriverEntry例程如下所示：

　　DriverEntry（IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, …）
　　//驱动程序人口
　　{
　　　　DriverObject->DriverExtension->AddDevice=AddDevice;
　　　　DriverObject->DriverUnload=DriverUnload;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]=Create;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]=Close;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=Read;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]= Write;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]=IoControl;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP]=Pnp;
　　　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER]=ProcessPowerIrp;
　　}

　　初始化模块中还包括有Create和Close两个例程，这是Win32程序获得和释放设备句柄的唯一途径；AddDevice例程在系统添加一个设备时被PnP管理器调用，其主要工作是创建并初始化设备对象；DriverUnload例程在系统卸载硬件时使用，由I/O管理器调用，释放所有资源。

　　★ I/O模块
　　
　　I/O模块由读写例程Read、Write和设备控制例程IoControl构成。

　　· 读写例程

　　读写两个例程用于实现批量数据传输。通过设置urb->UrbBulkOrInterruptTransfer. TransferFlags标志位可以决定数据流向，因此将它们放在同一个例程中。读写例程主要处理流程如下：

　　（1）调用IoGetCurrentIrpStackLocation()，获得指向自身I/O堆栈单元的指针；
　　（2）使用构造宏UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest()，构造一个URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFERURB类型的URB结构；
　　（3）调用IoGetNextlrp StackLocation()获得下一层驱动程序的I/O堆栈单元位置，并传递构造好的URB；
　　（4）调用IoSetCompletionRoutine()，将一个I/O完成例程与IRP关联；
　　（5）调用IoCallDriver() ，将请求传递给下层驱动程序处理。

　　· IoControl例程

　　用户程序使用DeviceIoControl函数传递一个称为I/O控制代码(IOCTL)的32位长度的参数，I/O管理器将IOCTL放在IRP 的　　Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode域中，在功能驱动程序中由IoControl例程使用该参数确定应执行的功能。

　　IOCTL值由CTL_CODE宏生成，CTL_CODE宏有四个宏参数。在本驱动程序中定义了两个IOCTL,分别用于复位管道和向USB固件发送一次批量传输字节数。IoControl例程对这两个IOCTL的处理流程与上面的读写例程类似，这里就不再赘述。