基于WDM的 USB鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)*

劉 皓

(山西師范大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西臨汾041000)

計(jì)算機(jī)發(fā)展速度飛快，傳統(tǒng)的計(jì)算接口已經(jīng)不能滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的需求，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽(tīng)、外置硬盤(pán)、光驅(qū)設(shè)備往哪兒接呢?計(jì)算機(jī)業(yè)界迫切需要新的通用型、高速總線接口。

USB是一種應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，它使得計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)化，具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。

本文利用 Visual C++6.0、Driver Works以及 Windows 2000 DDK開(kāi)發(fā)包作為開(kāi)發(fā)工具，采用WDM驅(qū)動(dòng)程序模式，開(kāi)發(fā)USB接口驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了USB鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、安裝及測(cè)試。

1 WDM驅(qū)動(dòng)程序模型

在WDM驅(qū)動(dòng)程序模型中，每個(gè)硬件設(shè)備包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，也稱(chēng)功能驅(qū)動(dòng)程序，主要為用戶(hù)提供適合的控制方式。它了解硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化I/O操作，處理I/O操作完成時(shí)所帶來(lái)的中斷事件。通常由兩個(gè)分離的執(zhí)行文件組成。一個(gè)文件是類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，它了解如何處理操作系統(tǒng)使用的WDM協(xié)議，以及如何管理整個(gè)設(shè)備的基本特征［3］。另一個(gè)文件稱(chēng)為微小驅(qū)動(dòng)程序，它包含類(lèi)驅(qū)動(dòng)用于管理設(shè)備實(shí)例的廠商專(zhuān)有特征例程。類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序和微小驅(qū)動(dòng)程序合在一起才成為一個(gè)完整的功能驅(qū)動(dòng)程序。

另一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序稱(chēng)為總線(BUS)驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接。

一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序包含許多例程，當(dāng)操作系統(tǒng)遇到IRP時(shí)，它就調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的例程來(lái)執(zhí)行IRP的各種操作。

2 WDM驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)

WDM驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵭蟹謱犹幚?，被分成高層?qū)動(dòng)程序、中間層驅(qū)動(dòng)程序、底層驅(qū)動(dòng)程序。每層驅(qū)動(dòng)再把I/O請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求，以傳給更下層的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。最底層的驅(qū)動(dòng)程序在收到I/O請(qǐng)求后，通過(guò)硬件抽象層，與硬件進(jìn)行交互，從而完成I/O請(qǐng)求工作。

WDM還引入了功能設(shè)備對(duì)象FDO(Functional Device Object)與物理設(shè)備對(duì)象PDO(Physical Device Object)兩個(gè)新類(lèi)來(lái)描述硬件?？偩€驅(qū)動(dòng)程序(Bus Driver)位于最底層，控制對(duì)總線上所有設(shè)備的訪問(wèn)，并為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)PDO，功能驅(qū)動(dòng)程序(Function Driver)管理FDO所代表的設(shè)備，過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序(Filter Driver)用于監(jiān)視和修改IRP流。

3 USB鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

3.1 USB鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行

用Driver Wizard3.0創(chuàng)建Usbkbd的WDM框架將自動(dòng)生成一個(gè)工作區(qū)和兩個(gè)工程，Test_Usbkbd files和Usbkbd files。其中Test_Usbkbd files是測(cè)試應(yīng)用程序工程，Usbkbd files是驅(qū)動(dòng)程序工程［3］。

Test_Usbkbd files測(cè)試應(yīng)用程序工程

OpenByIntf.cpp:OpenByIntf.cpp 包含 OpenByInterface 函數(shù)，OpenByInterface函數(shù)用GUID接口方式與WDM進(jìn)行通信。

Test_Usbkbd.cpp:是整個(gè)測(cè)試應(yīng)用程序的主要文件，在這里添加相關(guān)代碼，其作用是，打開(kāi)設(shè)備的一個(gè)句柄，用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀操作，并對(duì)DeviceIoControl函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，DeviceIoControl函數(shù)包含了對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的通信的命令。

Test_Usbkbd.cpp的文件結(jié)構(gòu)

UsbkbdDriverInterface.h:定義設(shè)備接口的GUID。

Usbkbdioctl.h:定義驅(qū)動(dòng)程序的控制代碼。

Usbkbd.cpp:功能驅(qū)動(dòng)程序，包含設(shè)備的初始化，Driver-Entry例程和AddDevice歷程。還重載了注冊(cè)信息參數(shù)。

UsbkbdDevice.cpp:設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，主要包括一些IRP的操作，如:清除(CleanUp(KIrp I))、關(guān)閉(Close(KIrp I))、創(chuàng)建(Create(KIrp I))、PnP 管理(DefaultPnp(KIrp I))、電源管理(DefaultPower(KIrp I))、I/O控制(DeviceControl(KIrp I))、開(kāi)始設(shè)備(OnStartDevice(KIrp I))、停止設(shè)備(OnStop-Device(KIrp I))、移除設(shè)備(OnRemoveDevice(KIrp I))、對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀操作(Read(KIrp I))、系統(tǒng)控制(SystemControl(KIrp I))、通信控制(USBKBD_IOCTL_800_Handler(KIrp I))等。

在以上文件中添加代碼。

function.h預(yù)定義相關(guān)的例程。

Usbkbd.h描述設(shè)備的相關(guān)信息，包括初始化時(shí)在注冊(cè)表中的路徑，注冊(cè)表的參數(shù)，數(shù)據(jù)成員在 DriverEntry期間被載入。

Usbkbdioctl.h為設(shè)備定義I/O控制命令。

Usbkbd.inf安裝文件，在生成工程時(shí)自動(dòng)生成。安裝WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的所有必須的信息，包括要復(fù)制的文件列表、創(chuàng)建的注冊(cè)表項(xiàng)等。

驅(qū)動(dòng)程序通常使用DriverEntry作為驅(qū)動(dòng)程序的默認(rèn)入口點(diǎn)，當(dāng)PnP管理器發(fā)現(xiàn)一個(gè)硬件設(shè)備時(shí)，首先調(diào)用Driver-Entry例程，DriverEntry例程是驅(qū)動(dòng)程序初始化的入口點(diǎn)，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對(duì)象，定義其它的例程名稱(chēng)，設(shè)置例程的入口指針，從注冊(cè)表中獲取信息，初始化驅(qū)動(dòng)程序，并初始化其它在驅(qū)動(dòng)程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。在DriverEntry中，主要的工作是在傳遞的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笾写鎯?chǔ)一系列的回調(diào)例程指針。DRIVER_OBJECT結(jié)構(gòu)由操作系統(tǒng)用于存儲(chǔ)與驅(qū)動(dòng)程序有關(guān)的任何信息。以后使用一個(gè)分開(kāi)的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)每個(gè)設(shè)備的信息。Default Pnp(即插即用)主要是實(shí)現(xiàn)一個(gè)IRP_MJ_PNP處理程序。在驅(qū)動(dòng)程序中，即插即用的基本處理包括:處理設(shè)備的添加和刪除;得到分配的資源;處理查詢(xún)停止和查詢(xún)刪除消息;處理停止設(shè)備消息;處理意外刪除消息。Dispatch(分發(fā)例程)主要用來(lái)處理應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間的通信，包括 Great、Close、Cleanup、Read、Write、Control。分發(fā)例程是可選的，是為設(shè)備的硬件層編程服務(wù)的，通過(guò)該例程可以達(dá)到應(yīng)用程序控制設(shè)備的目的。

WDM驅(qū)動(dòng)程序通常由PnP管理器載入內(nèi)存，然后調(diào)用它之中的AddDevice例程來(lái)創(chuàng)建設(shè)備。用一個(gè)inf安裝文件來(lái)指明該驅(qū)動(dòng)程序的一些參數(shù)［1］。

一般情況下，DriverEntry例程要設(shè)置以下幾個(gè)IRP處理函數(shù):

DriverUnload指向驅(qū)動(dòng)程序的清除例程。I/O管理器會(huì)在卸載驅(qū)動(dòng)程序前調(diào)用該例程。通常，WDM驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程一般不分配任何資源，所以DriverUnload例程也沒(méi)有什么清除工作要做。

DriverExtension→AddDevice指向驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice函數(shù)。PnP管理器將為每個(gè)硬件實(shí)例調(diào)用一次AddDevice例程。這樣將創(chuàng)建一個(gè)該設(shè)備對(duì)象。

DriverStartIo如果驅(qū)動(dòng)程序使用標(biāo)準(zhǔn)的IRP排隊(duì)方式，應(yīng)該設(shè)置該成員，使其指向驅(qū)動(dòng)程序的StartIo例程。

MajorFunction是一個(gè)指針數(shù)組，I/O管理器把每個(gè)數(shù)組元素都初始化成指向一個(gè)空函數(shù)，這個(gè)空函數(shù)僅返回失敗。驅(qū)動(dòng)程序可能僅需要處理幾種類(lèi)型的IRP，所以至少應(yīng)該設(shè)置與那幾種IRP類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的指針元素，使它們指向相應(yīng)的派遣函數(shù)。

3.2 功能驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)步驟

用IoCreateDevice創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，并建立一個(gè)私有的設(shè)備擴(kuò)展對(duì)象。

注冊(cè)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口，以便應(yīng)用程序能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的存在。另外，還可以給出設(shè)備名并創(chuàng)建符號(hào)連接。

初始化設(shè)備擴(kuò)展對(duì)象和設(shè)備對(duì)象的Flag成員。

調(diào)用IoAttachDeviceToDeviceStack函數(shù)，把新設(shè)備對(duì)象放到堆棧中。

Power例程。WDM驅(qū)動(dòng)程序支持電源管理，電源管理器通過(guò)IRP指示驅(qū)動(dòng)程序來(lái)改變電源狀態(tài)，等待并響應(yīng)系統(tǒng)喚醒事件和查詢(xún)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備，如果設(shè)備不支持電源管理，僅有一個(gè)默認(rèn)的Power例程即可。

CreatFile:應(yīng)用程序要想和設(shè)備進(jìn)行通信，必須先打開(kāi)設(shè)備，因此，應(yīng)用程序用CreatFile函數(shù)來(lái)打開(kāi)設(shè)備。

DeviceControl:應(yīng)用程序可以調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)與WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信。DeviceIoControl函數(shù)分為同步調(diào)用和異步調(diào)用方式，采用同步方式時(shí)，應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)將被阻塞，直到驅(qū)動(dòng)程序完成響應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才往下執(zhí)行，因此這里采用異步調(diào)用方式，但是通常采用異步方式完成的驅(qū)動(dòng)程序只允許一個(gè)應(yīng)用程序，為了打開(kāi)多個(gè)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序調(diào)用并修改DeviceControl，使得每次只能有一個(gè)IRP處于等待中，這樣可以打開(kāi)多個(gè)應(yīng)用程序［3］。

ReadFile函數(shù):應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信的目的就是通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行讀、寫(xiě)、或控制等操作。在鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序中，通過(guò)調(diào)用ReadFile函數(shù)，來(lái)讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)。

4 驅(qū)動(dòng)程序的安裝

用DriverWizard創(chuàng)建WDM框架程序之后，將自動(dòng)生成一個(gè)工作區(qū)和兩個(gè)工程文件。在相關(guān)文件添加相關(guān)代碼后，將光標(biāo)定位在Usbkbd file上，點(diǎn)擊右鍵，選擇“Set as Active Project”設(shè)置該工程為當(dāng)前活動(dòng)工程。然后點(diǎn)擊編譯，如果編譯沒(méi)有錯(cuò)的情況下，將會(huì)在sys文件夾下生成一些文件，包括一些自由構(gòu)造和檢查構(gòu)造等文件，還生成一個(gè)objfre文件，生成的安裝程序的系統(tǒng)文件Usbkbd.sys就包含在該文件里。

要安裝上面生成的Usbkbd.sys文件，必須用驅(qū)動(dòng)程序安裝文件(inf)來(lái)安裝。安裝Usbkbd.sys文件有三種方法，但是在安裝之前都要將sys文件下的Usbkbd.inf復(fù)制到“..sysobjferi386”目錄下。因?yàn)閁sbkbd.inf是在生成工作區(qū)時(shí)生成的，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有sys文件，因此要將Usbkbd.inf復(fù)制到Usbkbd.sys所在目錄下，Usbkbd.inf文件包含了安裝WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的所有必須的信息，例如要復(fù)制的文件列表、創(chuàng)建的注冊(cè)表項(xiàng)等。

從“控制面板”→“系統(tǒng)”→“硬件”→“添加硬件向?qū)А遍_(kāi)始運(yùn)行，按照向?qū)б徊揭徊秸业経sbkbd.inf文件，完成該USB鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的安裝［2］。

驅(qū)動(dòng)程序安裝成功后將在設(shè)備管理器里可以看到安裝的USBKBD設(shè)備的詳細(xì)信息。如果驅(qū)動(dòng)程序安裝不上，可以用DriverStudio提供的Monitor跟蹤測(cè)試。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序可以正常運(yùn)行時(shí)，顯示驅(qū)動(dòng)程序的狀態(tài)信息，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序不能運(yùn)行時(shí)顯示錯(cuò)誤信息。

［1］武安河.Windows 2000/XP WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)［M］.第2版.北京:電子工業(yè)出版社 ，2005.

［2］張惠娟，周利華，翟鴻鳴.Windows環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］［美］Walter Oney.Windows驅(qū)動(dòng)程序編程［M/OL］.馬少華，譯.http://www.driverdevelop.com/2001.