USB接口通信(驱动)的设计与实现

桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第1页共58页1引言WDM是“Windows驱动程序模型”的简称，即“WindowsDriverModel”。实际上它是一系列集成在操作系统之中的常规系统服务集，用于简化硬件驱动程序的编写，并保证它们在Windows98/Me/2000中的二进制兼容，WDM（WindowsDriverModel）模型是从WinNT3.51和WinNT4的内核模式设备驱动程序发展而来的。WDM主要的变化是增加了对即插即用、电源管理、WindowsManagementInterface(WMI)、设备接口的支持。WDM模型的主要目标，是实现能够跨平台使用、更安全、更灵活、编制更简单的Windows设备驱动程序。WDM采用了“基于对象”的技术，建立了一个分层的驱动程序结构。WDM首先在Windows98中实现，在Windows2000中得到了进一步的完善，并在后续开发的Windows操作系统中都将存在，比如WindowsMe和WindowsXP。微软在通过WDM模型的引入，希望减轻设备驱动程序的开发难度和周期，逐渐规范设备驱动程序的开发，应该说，WDM将成为以后设备驱动程序的主流。USB技术的全称是通用串行总线，是英文UniversalSerialBus的缩写。它是一种应用在PC领域的新型接口技术，虽然USB2.0已经被广泛应用，但是初始的Windows2000是支持USB1.0协议的，如果希望支持USB2.0协议，需要在微软网站上下载升级包。实际上，对于键盘或者鼠标来说，传输的速度非常小，使用USB1.0或者是USB2.0的区别并不大。闪存盘之类的存储设备，则需要重视传输速度。USB1.0版本主要应用在鼠标，键盘等HID设备上，这就是本驱动程序中引用的头文件版本是USB1.0的原因。本毕业设计的目的是希望对Windows2000操作系统体系结构和驱动程序开发以及调试等方面的问题有一个比较深入的了解，对USB协议和USB体系有做一个比较深入的了解。并开发出一个USB键盘驱动。这个USB键盘驱动程序应当可以替代系统原有的键盘驱动程序，并可以正常工作。本论文设计的驱动程序在Windows2000下运行，开发环境为VC6.0和DDK2000。桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第2页共58页21WDM驱动程序模型概述驱动程序在任何操作系统下都和系统内核有着密切的关系。设备驱动程序是一个包含了许多操作系统可调用例程的容器，这句WalterOney曾说过的话，抽象的描述了设备驱动程序的本质。1.1Windows2000概述图1－1中概括了Windows200系统中的组件，Windows2000操作系统是由不同层次的模块共同组成的。该图着重描述了驱动程序开发者所关心的特征。工作在Windows2000操作系统平台上的软件要么执行在用户模式中，要么执行在内核模式中。当用户模式程序需要读取设备数据时，就调用Win32API函数，如ReadFile.Win32子系统模块通过调用平台相关的系统服务接口实现API，而平台相关的系统服务将调用内核模式支持例程。在ReadFile调用中，调用首先到达系统DLL(NTDLL.DLL)中的一个入口点，NtReadFile函数。然后这个用户模式的NtReadFile函数接着调用系统服务接口，最后由系统服务接口调用内核模式中的服务例程，该例程同样名为NtReadFile。图1－1Windows组件模型系统中还有许多与NtReadFile相似的服务例程;它们同样运行在内核模式中，为应用程序请求提供服务，并以某种方式与设备交互。这些服务例程首先检查从用户态传递给它们的参数以保护系统安全或防止用户态程序非法存取数据，然后创建一个称为“I/0请求包(IRP)”的数据结构，并把这个数据结构送到某个驱动程序的入口点。驱动程序完成一个I/0操作后，通过调用一个特殊的内核模式服务例程来完成该IRP。完成操作是处理IRP的最后动作，它使等待的应用程序恢复运行。1.2Windows2000中的驱动程序类型应用程序Win32子系统设备驱动硬件抽象层硬件IO管理器用户模式内核模式Win32API调用系统服务接口传递IRP给驱动程序派遣函数HAL调用平台相关操作桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第3页共58页3图1－2Windows2000中的设备驱动程序种类Windows2000系统可以使用多种驱动程序，图1-2显示了其中几种。·虚拟设备驱动程序(VDD)可以使DOS应用程序访问x86平台上的硬件。VDD通过屏蔽I/O权限掩码来捕获端口存取操作，它基本上是模拟硬件操作，这对于那些直接对裸机硬件编程的应用程序特别有用。尽管这种驱动程序在Windows98和Windows2000中共享一个名称并且有相同的功能，但实际上它们的工作方式完全不同。我们用VDD缩写代表这种驱动程序，用VxD缩写代表Windows98中的虚拟设备驱动程序以示区别。内核模式驱动程序的分类包含许多子类。PnP驱动程序就是一种遵循Windows2000即插即用协议的内核模式驱动程序。·WDM驱动程序是一种PnP驱动程序，它同时还遵循电源管理协议，并能在Windows98和Windows2000间实现源代码级兼容。WDM驱动程序还细分为类驱动程序(classdriver)和微型驱动程序(minidriver)，类驱动程序管理属于己定义类的设备，微型驱动程序向类驱动程序提供厂商专有的支持。·显示驱动程序是用于显示和打印设备的内核模式驱动程序。·文件系统驱动程序在本地硬盘或网络上实现标准PC文件系统模型(包括多层次目录结构和命名文件概念)。·遗留设备驱动程序也是一种内核模式驱动程序，它直接控制一个硬件设备而不用其它驱动程序帮助。这种驱动程序主要包括WindowsNT早期版本的驱动程序，它们可以不做修改地运行在Windows2000中。1.3WDM驱动程序类型虚拟设备驱动程序（VDD）内核模式驱动程序文件系统驱动程序遗留设备驱动程序PnP驱动程序显示驱动程序WDM驱动程序类驱动程序微型(mini)驱动程序桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第4页共58页4WDM（WindowsDriverModel）模型是从WinNT3.51和WinNT4的内核模式设备驱动程序发展而来的。WDM主要的变化是增加了对即插即用、电源管理、WindowsManagementInterface(WMI)、设备接口的支持。WDM模型的主要目标，是实现能够跨平台使用、更安全、更灵活、编制更简单的Windows设备驱动程序。WDM采用了“基于对象”的技术，建立了一个分层的驱动程序结构。WDM首先在Windows98中实现，在Windows2000中得到了进一步的完善，并在后续开发的Windows操作系统中都将存在，比如WindowsMe和WindowsXP。微软在通过WDM模型的引入，希望减轻设备驱动程序的开发难度和周期，逐渐规范设备驱动程序的开发，应该说，WDM将成为以后设备驱动程序的主流。在WDM模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序：一个功能驱动程序（functiondriver）和一个总线驱动程序（busdriver）。一个设备还可能有过滤驱动程序（filterdriver），用来变更标准设备驱动程序的行为。这些服务于同一个设备的驱动程序组成了一个链表，称为设备栈。详细的描述见图1-3。图1-3驱动程序的种类总线驱动程序总线驱动程序为实际的I／O总线服务，比如IEEE1394。在WDM的定义中，一个总线是这样的设备，它用来连接其他的物理的、逻辑的、虚拟的设备。总线包括传统的总线SCSI和PCI，也包括并口、串口、以及i8042端口。微软已经为Windows操作系统提供了总线驱动程序。总线驱动程序已经包含在操作系统里了，用户不必安装。一个总线驱动程序负责以下的工作：·枚举总线上的设备；可选的上层过滤驱动程序功能驱动程序可选的底层过滤驱动程序可选的总线过滤驱动程序总线驱动程序设备驱动程序总线驱动程序桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第5页共58页5·向操作系统报告总线上的动态事件；·响应即插即用和电源管理的I／O请求；·提供总线的多路存取（对于一些总线）；·管理总线上的设备；功能驱动程序功能驱动程序是物理设备的主要驱动程序，它实现设备的具体功能，一般由设备的生产商来编写。功能驱动程序的主要功能是：·提供对设备的操作接口；·操作对设备的读写；·管理设备的电源策略；·过滤驱动程序过滤驱动程序是一个可选项，当一个用户需要改变或新添一些功能到一个设备、一类设备或一种总线时，就可以编写一个过滤驱动程序。在设备栈里，过滤驱动程序安装在一个或几个设备驱动程序的上面或下面。过滤驱动程序拦截对具体设备、类设备、总线的请求，做相应的处理，以改变设备的行为或添加新的功能。但过滤驱动程序只处理那些它所关心的I／O请求，对于其他的请求可以交给其他的驱动程序来处理，这样可以非常灵活改变设备的行为，至少用户会这样看。比如：·一个USB键盘的上层过滤驱动程序可以强制执行附加的安全检查。·一个鼠标的低层过滤驱动程序，通过对鼠标移动的数据做非线性的转换，可以得到一个有加速效果的鼠标轨迹。功能驱动程序的组成功能驱动程序由类驱动程序和微型驱动程序（Minidriver）组成。类驱动程序实现了某一类设备的常用操作，由微软提供，驱动程序的开发者可以只编写非常小的微型驱动程序，去处理具体设备特殊的操作，而对于其他大量的常规操作，可以调用该类的类驱动程序，这也是WDM驱动程序的优点之一。微软提供的类驱动程序处理常用的系统任务，比如，即插即用功能和电源管理。类驱动程序保证了操作系统在处理类似的任务时的一致性，从而提高了系统的稳定性。设备生产商提供微型驱动程序，以实现自己设备的特殊功能，同时调用合适的类驱动程序完成其他的通用工作。将大量的标准操作的代码通过各种类驱动程序来实现，并集成在操作系统中，这样的方式可以有效的减少具体设备的微型驱动程序的大小，也就减小了程序出错的可能。如果某一类设备存在着工业标准，微软就会提供一个该类设备的WDM类驱动程序。这个类驱动程序实现了该类设备所有必须的任务，但不实现任何具体设备所特有的东西。比如，微软提供的HID（人工输入设备）类驱动程序的实现，是根据USBHID类规范v.11的规定，但并不实现任何一种具体设备的特殊功能，比如，USB键盘、鼠标、桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第6页共58页6游戏控制等等。本文所设计的驱动程序就是一个功能驱动程序,它是将USB驱动程序与微型驱动程序(Minidriver)结合起来,驱动USB键盘的一个驱动程序.微软支持的WDM总线和类驱动程序图1-4微软支持的WDM总线和类驱动程序对于图1-4,本文只描述其中的人工输入设备(HID)和USB部分。因为这是在USB键盘驱动程序设计中所涉及到的两个方面。USB总线驱动程序枚举和控制低速的USB总线。USB客户驱动程序使用各种IOCTL通过USB类驱动程序访问它们的设备。人工输入设备（HID）类驱动程序管理多种总线（如USB）间的数据与指令语法翻译。大多数时候，本类驱动控制由用户交互接口传来的数据，如键盘，鼠标和游戏杆等。1.4驱动程序的分层结构图1－5WDM中设备对象和驱动程序的层次结构WDM模型使用了如图1－5的层次结构。图中左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。处于堆栈最底层的设备对象称为物理设备对象(physicaldeviceobject)，或简称为PDO。在设备对象堆栈的中间某处有一个对象称为功能设备对象(functionaldeviceobject)，或简称FDO。在FDO的上面和下面还会有一些过滤器设备对象(filterdeviceFiDOFDOFiDOPDO上层过滤驱动程序功能驱动程序低层过滤驱动程序总线驱动程序IRP桂林电子工业学院毕业设计（论文）专用纸第7页共58页7object)。位于FDO上面的