基于Windows的USB驅(qū)動程序開發(fā)

何麗華，梁杰申，肖楚海

0 引言

Windows已經(jīng)成為PC的主流操作系統(tǒng)，要想實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下對硬件設(shè)備的操作，必須通過在WDM模型下設(shè)計驅(qū)動程序這個軟接口。USB，是Universal Serial Bus（通用串行總線）的簡稱，為個人電腦與其外圍設(shè)備之間的連接提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口[1]。它的主要優(yōu)點體現(xiàn)在:操作簡單，即插即用；成本低廉，攜帶方便；標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；可以連接多個設(shè)備；通信速率快；可靠性高等。鑒于USB的這些特點，它已經(jīng)成為PC的首選接口。

1 WDM驅(qū)動程序模型簡介

USB驅(qū)動的設(shè)計基于WDM（Windows Driver Module），即Win32驅(qū)動模型。WDM是Microsoft公司力推的新型驅(qū)動模型[2]，旨在通過一種靈活的方式簡化驅(qū)動程序的開發(fā)，在實現(xiàn)對新硬件支持的基礎(chǔ)上，減少并降低必須開發(fā)的驅(qū)動程序的數(shù)量和復(fù)雜性。

WDM有兩種運行模式，即內(nèi)核模式和用戶模式。在內(nèi)核模式下，程序的運行不受操作系統(tǒng)的任何限制，對I/O有完全的訪問權(quán)；在用戶模式下，操作系統(tǒng)提供某種機制，可以限制程序的各種I/O操作。

WDM驅(qū)動程序采用了分層驅(qū)動的方式，不同層之間的驅(qū)動程序完成不同的操作，不同層之間可以互相調(diào)用，在WDM中引入了功能設(shè)備對象（FDO Filter Device Object）和物理設(shè)備對象（PDO Project Device Object）來描述硬件。一個PDO對應(yīng)一個真實的硬件，一個硬件只允許有一個PDO但是卻可以有多個FDO。在驅(qū)動程序中直接操作的不是硬件設(shè)備，而是相應(yīng)的PDO和FDO[3]。在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)通信方面，系統(tǒng)為每一個用戶請求打包形成一個IRP結(jié)構(gòu)，將其發(fā)送至驅(qū)動程序，并通過識別IRP中的PDO來區(qū)分時發(fā)送給哪一個設(shè)備的。

圖1 WDM驅(qū)動程序模型

驅(qū)動模型如圖1所示：中總線驅(qū)動程序位于最底層，總線驅(qū)動程序為實際的I／O總線服務(wù)，比如USB。微軟已經(jīng)為Windows操作系統(tǒng)提供了總線驅(qū)動程序。一個總線驅(qū)動程序負(fù)責(zé)的工作有：枚舉總線上的設(shè)備；向操作系統(tǒng)報告總線上的動態(tài)事件；響應(yīng)即插即用和電源管理的I／O請求；管理總線上的設(shè)備?？偩€驅(qū)動程序創(chuàng)建一個物理設(shè)備對象來代表它發(fā)現(xiàn)的設(shè)備。即發(fā)現(xiàn)總線上的所有設(shè)備和檢測設(shè)備添加或者刪除，創(chuàng)建物理設(shè)備對象PDO；功能驅(qū)動程序處理設(shè)備的I/O請求包（IRP），負(fù)責(zé)創(chuàng)建功能設(shè)備對象FDO；其他層的驅(qū)動程序是一些過濾程序（Filter Driver），對應(yīng)的設(shè)備對象是過濾器設(shè)備。安裝硬件設(shè)備時操作系統(tǒng)的即插即用管理器按照設(shè)備驅(qū)動程序的要求構(gòu)造設(shè)備的對象，首先是最底層的總線驅(qū)動程序檢測到實際的物理設(shè)備，創(chuàng)建物理設(shè)備對象PDO，然后，即插即用管理器查詢注冊表，按注冊表信息依次加載過濾驅(qū)動程序和功能驅(qū)動程序，可生成相應(yīng)的功能設(shè)備對象FDO，并建立設(shè)備對象和驅(qū)動程序的對應(yīng)關(guān)系，這樣一個完整的設(shè)備驅(qū)動程序就建立了[4]。

2 工具的選擇

在開發(fā)工具的選擇上本文選擇用Microsoft公司提供的Windows DDK，Win2000DDK。DDK軟件包中包括有關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的文檔、編譯驅(qū)動程序時所需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和一些設(shè)備驅(qū)動程序范例。但是直接使用DDK開發(fā)比較困難，而且設(shè)備的驅(qū)動程序本身比較復(fù)雜，一旦運行錯誤可能會對整個操作系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。所以我們選擇配合第三方軟件來實現(xiàn)。DriverStudio是由Numega公司出品的專門用于設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的軟件包，包含VtoolsD、SoftICE和DriverWorks等開發(fā)工具?？梢詫崿F(xiàn)驅(qū)動制作的“自動化”，安裝驅(qū)動向?qū)б徊揭徊降纳沈?qū)動。

2.1 基于DDK和DriverStudio制作驅(qū)動平臺

首先在PC機上先安裝Visual C++，然后安裝Win2KDDK，因為在安裝DriverStudio的時候要求指定DDK的路徑。所以安裝順序不能錯，安裝完成后在VC的界面里會有DriverStudio菜單項。

2.2 編譯WDM驅(qū)動所用的庫[5]

由于DriverWorks所用的類庫是對DDK的庫函數(shù)的封裝，還必須在Visual C++中編所需要的庫文件。本文用的是DriverStudio2.6，所以先改正它的Bug，然后通過NuMega DriverStudio /Tools/DDK Build Settings 進入到DriverStudio的路徑。選擇Visual C++的BatchBuild工具對DriverStudio安裝目錄下的vdwlibs.dsw庫進行編譯，這里我們只需要選擇WDM的庫就可以了。

2.3 用DriverStudio開發(fā)驅(qū)動程序

做好了前面的配置工作，我們就可以按照 DriverStudio的DriverWorks來一步一步的生成驅(qū)動。在利用DriverStudio 2.6 的向?qū)riverWizand 完成驅(qū)動程序的框架時共有10個步驟:（1）選擇路徑并填寫工程名，這里的工程名我們命名為MW70A；（2）選擇驅(qū)動程序類型WDM；（3）選擇USB設(shè)備總線類型，填寫PID（產(chǎn)品識別號）和VID（廠商識別號）。這里根據(jù)我們的固件程序我們填寫為PID7070，VID0707；（4）選擇I/O請求IRP處理的方式，這里用端點2的In和Out用Bulk傳輸。并且將其最大的傳輸值設(shè)為65535，USB的包最大為64個字節(jié)，我們這樣設(shè)是為了不讓PC成為限制USB速率的瓶頸;（5）選擇所生成的驅(qū)動程序文件中的類名和驅(qū)動程序文件名，取默認(rèn)值:MW70A;（6）選擇驅(qū)動程序支持的功能項，我們選擇Read、Write、Device Control、Cleanup、install；（7）自動產(chǎn)生端點2的Bulk傳輸讀寫代碼；（8）定義排隊的方式，這里不理會，取默認(rèn)值。（9）定義應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)對WDM驅(qū)動程序通信的控制命令，并對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)存取方式，取默認(rèn)值；（10）選擇是否生成一個Win32Console應(yīng)用程序以及Debug跟蹤代碼等，并產(chǎn)生了此設(shè)備的GUID、供電方式、等。編譯這個工程，即得到所需的驅(qū)動程序。在sysobjchki386里就有我們的MW70A.sys，在sys文件夾下有我們的MW70A.inf文件。按照LPC2368的固定端點配置（如表1），這里我們使用默認(rèn)的端點0和批量傳輸?shù)臄帱c2實現(xiàn)USB設(shè)備的枚舉和讀寫操作。

表1 LPC2368的端點配置

3 USB驅(qū)動程序的調(diào)用

3.1 訪問設(shè)備

應(yīng)用程序要訪問我們的驅(qū)動程序，不是通過驅(qū)動程序名稱來訪問的，而是通過一個128位的全局惟一標(biāo)示符（GUID）實現(xiàn)對驅(qū)動程序的識別[6]。這個GUID是我們上面制作驅(qū)動的第10步自動產(chǎn)生的應(yīng)用程序，首先通過調(diào)用GUID來查找驅(qū)動程序。驅(qū)動程序通過安裝文件（.inf）中PID和VID識別USB設(shè)備。通過檢查設(shè)備的連接狀態(tài)，來判斷進入下一個環(huán)節(jié)。（詳見圖2.）

F（!NT_SUCCESS（m_ConstructorStatus））

{

Return;

}

NTSTATUS DriverEntry（PUNICODE_STRING RegistryPath）;

圖2 驅(qū)動程序調(diào)用過程

3.2 程序入口

WDM驅(qū)動都有一個主要的初始化入口點，即一個稱為DriverEntry的例程；它有一個標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)原型，當(dāng)WDM驅(qū)動程序被裝入時，內(nèi)核調(diào)用DriverEntry例程，來設(shè)置主要的回調(diào)例程。在運行中，內(nèi)核會調(diào)用不同的回調(diào)例程來完成不同的任務(wù)，主要負(fù)責(zé)驅(qū)動程序的裝載、初始化總線上的設(shè)備、創(chuàng)建FDO、IRP的分類派遣以及卸載本層驅(qū)動程序等操作。

3.3 添加設(shè)備

大多數(shù)的WDM設(shè)備對象，都是在調(diào)用即插即用管理器調(diào)用AddDevice例程入口時被創(chuàng)建的[7]。插入新設(shè)備后，當(dāng)系統(tǒng)找到由安裝系統(tǒng)文件所指示的驅(qū)動程序時，這個例程被調(diào)用。在此之后，一系列的即插即用IRP被發(fā)送到驅(qū)動程序，設(shè)備驅(qū)動程序可進行相應(yīng)的功能處理。AddDevice函數(shù)是WDM驅(qū)動程序的一個特殊函數(shù)，PnP管理器為每個設(shè)備實例調(diào)用該函數(shù)。virtual NTSTATUS AddDevice（PDEVICE_OBJECT Pdo）;

3.4 IRP處理

生成的API函數(shù)如下表（表2）：

表2 API應(yīng)用程序和驅(qū)動請求

應(yīng)用程序使用Win32API函數(shù)來與操作系統(tǒng)通信，驅(qū)動程序彼此間用I/O要求信息包（I/O Request Packet，IRP）來通信。DriverWorks為IRP進行了封裝，IRP是整個驅(qū)動處理的核心，Win32函數(shù)與所生成的IRP對應(yīng)關(guān)系如上表。

3.5 USB的讀功能

讀操作是從應(yīng)用程序調(diào)要Win32API函數(shù)ReadFile開始的。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用ReadFile函數(shù)時，系統(tǒng)通過ntdll.dll調(diào)用ntreadfile向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送一個IRP[8]，驅(qū)動程序接到該IRP后，開辟用以接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)，判斷所讀數(shù)據(jù)是否大于最大信息包規(guī)格，因為每次只讀取最大信息包個字節(jié)。然后建立相應(yīng)端點的URB并向下層驅(qū)動程序提交該URB。此時I/O管理器執(zhí)行Read，把數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)內(nèi)。

4 驅(qū)動的安裝與調(diào)試

安裝驅(qū)動程序的時候，最好把MW70A.inf和MW70A.sys放在一個文件夾下面，當(dāng)有對應(yīng)的USB設(shè)備連接到電腦上時，可以手動選擇驅(qū)動程序，找到對應(yīng)的MW70A.inf，根據(jù)里面的PID和VID就可以自動安裝。所以只要固件程序里面的PID和VID和驅(qū)動程序里面的一樣就可以實現(xiàn)安裝。

驅(qū)動程序工作在內(nèi)核模式下，可以用DriverStudio中的SoftICE測試，測試流程如下：

使用Symbol Loader加載驅(qū)動程序，然后使用SoftICE跟蹤測試，確認(rèn)驅(qū)動程序正常加載；對核心的中斷響應(yīng)代碼，應(yīng)用SoftICE中的Genint命令產(chǎn)生虛擬中斷，單步跟蹤中斷。USB硬件發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，可以通過BUS Hound來查看?？梢苑奖愕目吹狡鋫鬏?shù)臄?shù)據(jù)和速率。

在程序的調(diào)試過程中，應(yīng)注意可能因內(nèi)存訪問分頁錯誤、設(shè)備資源和系統(tǒng)資源沖突、I/O使用錯誤、程序中指針使用錯誤等因素造成系統(tǒng)“死機”“藍(lán)屏”等現(xiàn)象。在不同的機器上測試時，要對其他軟件的兼容性做處理。

5 結(jié)束語

設(shè)計驅(qū)動程序是一個復(fù)雜繁瑣的過程，而利用DriverWorks工具簡化了開發(fā)過程，加快了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效益。Windows已經(jīng)成為PC的主流操作系統(tǒng)，基于Windows操作系統(tǒng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)，是一個難點也是一個熱點。本文的USB驅(qū)動用在CAN總線數(shù)據(jù)的采集上，完全能夠滿足CAN的最大波特率1Mbps，極大的節(jié)省了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效益。

[1]傅得立.基于 USB2.0的數(shù)據(jù)記錄回放單元設(shè)計[D].中國科學(xué)院廣電研究所，2007.

[2]張瑾.USB及其設(shè)備開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，（2）:11-22.

[3]Cant C.Writing Windows WDM Device Drivers[J].R&D Books，1999，35（6）:3-8.

[4]于勇.基于Windows的USB接口WDM驅(qū)動研究和應(yīng)用[D].南京信息工程大學(xué)，2008.

[5]武安河.Windows2000/XP WDM驅(qū)動程序開發(fā)[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2005:98-99.

[6]張帆 史彩成.Windows驅(qū)動開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京北京:電子工業(yè)出版社，2008:400-456.

[7]張念淮，江浩.USB總線接口開發(fā)指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001:56-78.

[8]Cant C.Windows WDM 設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000:89-96.