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1． 前言
    通用串行總線（USB）是由Intel、Compaq、Microsoft、IBM、Northern Telecom和NEC等7家公司發(fā)起制定的微機(jī)總線接口規(guī)范。它充分解決了日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和接口之間的矛盾?，F(xiàn)在幾乎所有的臺(tái)式PC和便攜式筆記本電腦都配備了USB接口，幾乎所有流行的操作系統(tǒng)如Win98，Windows2000/xp，Linux等都支持USB功能。由于目前多數(shù)的開發(fā)工具還沒有對(duì)USB進(jìn)行控制的函數(shù)和控件，開發(fā)一個(gè)基于USB的應(yīng)用系統(tǒng)(如基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))，就需要開發(fā)者自己寫一個(gè)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

2． USB簡(jiǎn)介
    一個(gè)USB系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括：USB主控制器，根集線器（HUB），USB集線器（HUB），USB設(shè)備。軟件系統(tǒng)包括：USB類驅(qū)動(dòng)程序，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備端固件程序和應(yīng)用程序。USB的通信結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

USB具有以下特點(diǎn)：
1、 速度快。USB1 .1支持全速和低速模式:12Mbps和1.5Mbps，USB2.0支持的高速模式可達(dá)480Mbps。
2、 擴(kuò)展方便。USB的星式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在每個(gè)PC的USB端口最多擴(kuò)展127個(gè)外設(shè)。
3、 支持完全的即插即用功能，可方便的熱拔插。
4、 可自動(dòng)檢測(cè)外設(shè)并配置外設(shè)，靈活的供電方式，設(shè)備可自供電或總線供電；支持設(shè)備的掛起和喚醒，節(jié)省電源。
5、 USB有控制、等時(shí)、中斷和批量等四種數(shù)據(jù)傳輸方式?？蓾M足不同的外
設(shè)使用。

3． WDM驅(qū)動(dòng)程序模型介紹
    WDM（ Windows Driver Model），即Windows驅(qū)動(dòng)程序模型，是Microsoft力推的全新驅(qū)動(dòng)程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來(lái)簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)新硬件支持的基礎(chǔ)上減少并降低所必須開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)量和復(fù)雜性。

    WDM是一種PNP驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)還遵循電源管理協(xié)議，它直接對(duì)硬件抽象層HAL操作，還能在Windows98和Windows2000間實(shí)現(xiàn)源碼級(jí)兼容。在WDM驅(qū)動(dòng)程序模型中，每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。其一為功能(function)驅(qū)動(dòng)程序，即硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它了解使硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化I/O操作，有責(zé)任處理I/O操作完成時(shí)所帶來(lái)的中斷事件，有責(zé)任為用戶提供一種設(shè)備適合的控制方式。另一個(gè)為總線(bus)驅(qū)動(dòng)程序。它負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接。WDM模型使用了如圖2的層次結(jié)構(gòu)。

    WDM驅(qū)動(dòng)程序總是使應(yīng)用程序調(diào)用設(shè)備時(shí)，就像操作一個(gè)文件。通常，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序需要從硬件端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，是通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的Windows API函數(shù)，如ReadFile來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而Win32子系統(tǒng)（如KERNEL32.DLL）通過調(diào)用平臺(tái)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)該API，而平臺(tái)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)將調(diào)用內(nèi)核模式支持例程。Windows 2000/xp的所有內(nèi)核模式IO操作都使用一個(gè)公用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（IRP）。內(nèi)核發(fā)出各種IRP請(qǐng)求給WDM驅(qū)動(dòng)程序,驅(qū)動(dòng)程序處理各種IRP請(qǐng)求.每個(gè)IRP有一個(gè)IO堆棧結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

4． USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫
    USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完全具有WDM驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn),也采用分層結(jié)構(gòu).USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是使用標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)USB總線驅(qū)動(dòng)程序訪問使用USBDI（驅(qū)動(dòng)程序接口）的USB設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。圖3可以看到USB驅(qū)動(dòng)的層次模型。

    USB總線驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)實(shí)際與USB總線通訊，加載和/卸載USB驅(qū)動(dòng)程序；與USB設(shè)備通過端點(diǎn)建立通訊來(lái)執(zhí)行設(shè)備配置，數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（即功能驅(qū)動(dòng)程序），通過發(fā)送含有USB請(qǐng)求包（URB）的IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL IRP給USB總線驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)備的通訊。

    USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可按照處理IRP的不同分為：驅(qū)動(dòng)程序初始化模塊、即插即用（PnP）IRP處理模塊、電源管理IRP處理模塊、系統(tǒng)控制模塊(WMI)IRP處理模塊，USB設(shè)備IO和讀寫IRP模塊等幾部分。

4．1驅(qū)動(dòng)程序初始化模塊
    該模塊提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的入口例程DriverEntry(),所有對(duì)各種IRP的處理例程都在此模塊的DriverEntry例程中得到定義。此模塊添加設(shè)備AddDevice例程,調(diào)用IocreatDevice()內(nèi)核函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)功能設(shè)備對(duì)象FDO，并進(jìn)行WMI和電源管理的一些初始化工作。設(shè)備卸載例程UnLoad用于清理硬件在系統(tǒng)中留下的痕跡。DriverEntry例程部分源碼如下：
    NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
    {    PDEVICE_OBJECT deviceObject = NULL;
    ………
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = D12_PnP;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]= D12_IoCtrL;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = D12_Write;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER] = D12_PowerIrp;
    DriverObject->DriverExtension->AddDevice = D12_AddDevice;
    DriverObject->DriverUnload = D12_Unload;
    ………
    return ntStatus;}

4．2即插即用（PnP）模塊
    該模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用功能，熱拔插和動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測(cè)到USB設(shè)備插入時(shí)，Windows 2000查找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用它的DriverEntry例程，即插即用管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice例程，通知它添加設(shè)備，驅(qū)動(dòng)利用IocreatDevice()內(nèi)核函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)功能設(shè)備對(duì)象FDO，在此過程中驅(qū)動(dòng)程序收到IRP_MN_START_DEVICE IRP,請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)USB設(shè)備和分配資源。當(dāng)然，設(shè)備運(yùn)行過程中，如果設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化（如帶電拔插，暫停等），系統(tǒng)的即插即用管理器也同樣發(fā)出相應(yīng)的IRP，由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理。

    該模塊的啟動(dòng)設(shè)備例程中要對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行初始化操作，它首先讀取設(shè)備描述符，根據(jù)設(shè)備描述符來(lái)讀取配置描述符.在讀取配置描述符時(shí)，往往先讀一次配置描述符，取出總的描述符長(zhǎng)度，再將配置描述符，接口描述符，端點(diǎn)描述符一并讀出，從中獲取各種描述符提供的信息，設(shè)置管道信息，創(chuàng)建一個(gè)配置URB，進(jìn)行設(shè)備配置。需要調(diào)用以下例程：
UsbBuildGetDescriptorRequest(Urb, //組建一個(gè)獲取設(shè)備描述符的URB請(qǐng)求
(USHORT)sizeof(struct _URB_CONTROL_DESCRIPTOR_REQUEST),
0,0,deviceDescriptor//描述符的類型,NULL,siz,NULL)；
CallUSBD（DeviceObject，urb）；//發(fā)送usb給總線驅(qū)動(dòng)，
interfaceDescriptor=USBD_ParseConfigurationDecriptorEx(//從配置描述符中搜索接口信息
           ConfigurationDecriptor,//配置描述符地址
           ConfigurationDesriptor,//搜索起始地址
           interfacedex,//搜索的接口索引
           0,-1,-1,-1)// 然后選擇接口，配置設(shè)備
urb=USBD_CreateConfigurationRequestEx(ConfigurationDescriptor,interfacelist)
//創(chuàng)建一個(gè)配置設(shè)備的URB。這里使用一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)，可配置不只一個(gè)接口

4．3電源管理模塊
    實(shí)現(xiàn)USB系統(tǒng)的電源管理功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的掛起與喚醒。在USB電源管理IRP的處理必須盡可能的快，否則可能出現(xiàn)奇怪的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)現(xiàn)象。在電源管理模塊中將IRP向下傳遞的例程是PoCallDriver,用它的目的就是使一切和電源管理有關(guān)的IRP都在系統(tǒng)電源管理器的掌握之下。

4.4系統(tǒng)控制模塊（WMI）
    WMI（Windows Management Instrumentation）是Windows提供給驅(qū)動(dòng)的一種服務(wù)機(jī)制，它可以完成注冊(cè)表的操作，并且可以在用戶應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間直接數(shù)據(jù)交換，從而使用戶在除了使用IO設(shè)備控制之外，還有一個(gè)途徑和驅(qū)動(dòng)程序交流。它處理IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL IRP請(qǐng)求。此IRP在AddDevice中進(jìn)行一些初始化工作，確定WMI請(qǐng)求處理的例程，并調(diào)用IoWMIRegistrationControl進(jìn)行WMI注冊(cè)。

4.5 USB設(shè)備IO模塊
    本模塊實(shí)現(xiàn)完成IO請(qǐng)求的大部分工作。工作過程：應(yīng)用程序調(diào)用Win32函數(shù)如DeviceIoControl向設(shè)備發(fā)出IO控制命令，系統(tǒng)的IO 管理器構(gòu)造一個(gè)IRP IRP_MJ_DEVICE_CONTROL.設(shè)備驅(qū)動(dòng)收到IRP，根據(jù)其中的控制代碼，構(gòu)造相應(yīng)的URB（USB請(qǐng)求塊），并把它放到一個(gè)新的IRP，傳遞到USB類驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行IRP。并把結(jié)果返回給設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)在通過IRP返回給IO管理器，IO管理器將結(jié)果返回給應(yīng)用程序，即完成一次IO操作。讀寫例程也安排在此模塊，響應(yīng)讀寫設(shè)備用戶請(qǐng)求。

    USB有四種數(shù)據(jù)傳輸方式：控制，批量，中斷和同步方式。這里需要先檢查傳輸類型,然后根據(jù)傳輸類型的不同要求建立適當(dāng)?shù)腢RB請(qǐng)求，如下：
UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest(urb,
          sizeof(struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER,
          PipeInformation->PipeHandle
          NULL,mdl,StageLenth,urbFlags,NULL)//建立傳輸請(qǐng)求URB
    利用總線驅(qū)動(dòng)提供的內(nèi)部控制碼IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB,向下層驅(qū)動(dòng)發(fā)送URB，并設(shè)置完成例程等待請(qǐng)求完成:
nextStack->MajorFuntion=IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL;//設(shè)置下一個(gè)IO堆棧的主
nextStack->parameters.Others.Argument1=(PVOID)urb;// 功能代碼
nextStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode=IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB;//內(nèi)部控制USB設(shè)備提交的URB
IoSetCompletionRoution(Irp,
(PIO_COMPLETION_ROUTINE)BulkUsb_ReadWriteCompletion, //設(shè)置的完成例程
rwContext,TRUE,TRUE,TRUE);
IoCallDriver(deviceExtention->NextStackDeviceObject,Irp);//提交IRP

   該模塊完成了幾乎所有的應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的交互，這一部分也是與USB設(shè)備聯(lián)系最為緊密的部分。需要對(duì)USB協(xié)議有一定的了解。

5． 驅(qū)動(dòng)程序的幾種開發(fā)工具
    開發(fā)一個(gè)USB驅(qū)動(dòng)程序需要有一個(gè)合適的開發(fā)環(huán)境。下面是比較流行的幾種開發(fā)工具。

    Microsoft為開發(fā)驅(qū)動(dòng)者提供了一個(gè)軟件包Driver Development Kit即DDK，其中包含了驅(qū)動(dòng)程序的編譯器和調(diào)試工具，以及一些幫助文檔和范例，可以在Microsoft的網(wǎng)站上免費(fèi)下載DDK。代碼的編寫采用c或C++語(yǔ)言，只是編譯，連接需要使用VC++和DDK的工具。DDK提供了各類驅(qū)程序的源代碼，對(duì)開發(fā)者編寫自己的驅(qū)動(dòng)程序很有參考價(jià)值。

    DriverWorks是Numega公司提供的一個(gè)商業(yè)化驅(qū)動(dòng)程序集成開發(fā)包，提供VC++下的開發(fā)向?qū)riverWizard，按照它的提示可以迅速地生成驅(qū)動(dòng)程序的框架。在其生成的代碼框架中在加入自己的操作，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

    WinDriver也是一個(gè)商業(yè)化的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包。WinDriver使硬件訪問變成一件很容易的事。在常規(guī)開發(fā)環(huán)境下，使用WinDriver，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成訪問IO端口和存儲(chǔ)區(qū)域,處理中斷，執(zhí)行DMA操作及訪問PCI和自定義寄存器的工作。這種易用性是通過一個(gè)非常強(qiáng)大的組合向?qū)?lái)實(shí)現(xiàn)的。

6． 結(jié)束語(yǔ)
    USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了應(yīng)用設(shè)備與應(yīng)用軟件的接口，使應(yīng)用程序能以文件調(diào)用的方式來(lái)高速，快捷地操作設(shè)備。通過設(shè)計(jì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，我們實(shí)現(xiàn)了自己開發(fā)的智能儀器基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC的通信，取得較好的效果。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)USB應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要想對(duì)USB開發(fā)有一個(gè)全面深入的理解，必須深入理解USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。而且隨著USB技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫也將變得越來(lái)越重要。