USB设备驱动概述

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USB设备驱动概述

毛毛虫的爹 2015-06-10 18:15:00 浏览2031
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USB设备驱动

·  17.1 USB总线协议

·  17.1.1 USB设备简介

·  17.1.2 USB连接拓扑结构

·  17.1.3 USB通信的流程

·  17.1.4 USB四种传输模式

·  17.2.1 观察USB设备的工具

·  17.2.2 USB设备请求

·  17.2.3 设备描述符

·  17.2.4 配置描述符

·  17.2.5 接口描述符

·  17.2.6 端点描述符

·  17.3.1 功能驱动与物理总线驱动

·  17.3.2 构造USB请求包

·  17.3.3 发送USB请求包

·  17.3.4 USB设备初始化

·  17.3.5 USB设备的插拔

·  17.3.6 USB设备的读写

·  17.4 小结

 

第17章  USB设备驱动

USB设备驱动和PCI设备驱动是PC中最主要的两种设备驱动程序。与PCI协议相比,USB协议更复杂,涉及面较多。本章将介绍USB设备驱动开发。首先介绍USB协议,使读者对USB协议有个整体认识。然后介绍USB设备在WDM中的开发框架。由于操作系统的USB总线驱动程序提供了丰富的功能调用,因此开发USB驱动开发变得相对简单,只需要调用USB总线驱动接口。

17.1  USB总线协议

USB总线协议比PCI协议复杂的多,涉及USB物理层协议,又涉及USB传输层协议等。对于USB驱动程序开发者来说,不需要对USB协议的每个细节都很清楚。本节概要地介绍USB总线协议,并对驱动开发者需要了解的地方进行详细介绍。

17.1.1  USB设备简介

USB即通用串行总线(UniversalSerial Bus),是一种支持即插即用的新型串行接口。也有人称之为“菊链(daisy-chaining)”,是因为在一条“线缆”上有链接127 个设备的能力。USB要比标准串行口快得多,其数据传输率可达每秒4Mb~12Mb(而老式的串行口最多是每秒115Kb)。除了具有较高的传输率外,它还能给外围设备提供支持。

需要注意的是,这不是一种新的总线标准,而是计算机系统连接外围设备(如键盘、鼠标、打印机等)的输入/输出接口标准。到现在为止,计算机系统连接外围设备的接口还没有统一的标准,例如,键盘的插口是圆的、连接打印机要用9针或25针的并行接口、鼠标则要用9针或25针的串行接口。USB能把这些不同的接口统一起来,仅用一个4针插头作为标准插头,如图17-1所示。通过这个标准插头,采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来,并且不会损失带宽。USB正在取代当前PC上的串口和并口。

 

17-1  USB的四条传输线

以USB方式连接设备时,所有的外设都在机箱外连接,连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔,而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式,即每个USB设备用一个USB 插头连接到另一个外设的USB插座上,而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接,一个USB控制器可以连接多达127个外设,而每个外设间距离(线缆长度)可达5米。USB能智能识别USB链上外围设备的插入或拆卸。

它可使多个设备在一个端口上运行,速度也比现在的串行口或并行口快得多,而且其总的连线在理论上说可以无限延长。对PC来说,以上这些都是一些难得的优点,因为不再需要PS/2端口、MIDI端口等各种不同的端口了,还可以随时随地在各种设备上任意插拔。可以在一个端口上运行鼠标、控制手柄、键盘以及其他输入装置(例如数码相机),而且,也不必重新启动系统去做这些工作。现在USB设备正在快速增多,且由于操作系统已内置支持USB的功能,因而用户现在就可以方便地使用。显然,USB为PC的外设扩充提供了一个很好的解决方案。

目前USB技术的发展,已经允许用户在不使用网卡、HUB的情况下,直接通过USB技术将几台计算机连接起来组成小型局域网,用户只需要给各台计算机起个名字就可以开始工作。这种网络具备Ethernet网络的各种优点,同时少了Ethernet网络的许多限制。假设一位用户上班时使用笔记本电脑,回家时使用PC机,为实现数据传输,他可以通过采用USB技术的接口将两部电脑连接起来交换资源,其数据传输速度可达12Mbps,这是传统串行口无法比拟的。而且用户在组网的时候根本无须考虑DIP、IRQ等问题。此类技术除支持兼容Ethernet的软硬件外,也支持标准的网络通信协议,包括IPX/SPX、NetBEUI和TCP/IP,这为通过USB技术组成的小局域网连接至大型网络或Internet提供了条件。

17.1.2  USB连接拓扑结构

USB设备的连接如图17-2所示,对于每个PC来说,都有一个或者多个称为Host控制器的设备,该Host控制器和一个根Hub作为一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub,每个子Hub又可以接子Hub。每个USB作为一个节点接在不同级别的Hub上。

(1)USB Host控制器:每个PC的主板上都会有多个Host控制器,这个Host控制器其实就是一个PCI设备,挂载在PCI总线上。Host控制器的驱动由微软公司提供,如图17-3所示,这是笔者PC中的Host控制器及USB Hub的驱动。值得注意的是,这里Host分别有两种驱动,一种是1.0,另一种是2.0,分别对应着USB协议1.0和USB协议2.0。

 

(点击查看大图)图17-2  USB连接拓扑结构

2USB Hub:每个USBHost控制器都会自带一个USB Hub,被称为根(Root)Hub。这个根Hub可以接子(Sub)Hub,每个Hub上挂载USB设备。一般PC8USB口,通过外接USB Hub,可以插更多的USB设备。当USB设备插入到USBHub或从上面拔出时,都会发出电信号通知系统。这样可以枚举USB设备,例如当被插入的时候,系统就会创建一个USB物理总线,并询问用户安装设备驱动。如图17-4所示为一个典型的USB Hub的示意图。

 

(点击查看大图)图17-3  USB HostUSB Hub驱动 

 

 

(点击查看大图)图17-4  USB Hub示意图

(3)USB设备:USB设备就是插在USB总线上工作的设备,广义地讲USB Hub也算是USB设备。每个根USB Hub下可以直接或间接地连接127个设备,并且彼此不会干扰。对于用户来说,可以看成是USB设备和USB控制器直接相连,之间通信需要满足USB的通信协议。

有的USB设备功能单一,直接挂载在USB Hub上。而有的USB设备功能复杂,会将多个USB功能连在一起,成为一个复合设备,它甚至可以自己内部带一个Hub,这个Hub下接多个USB子设备,其和多个子设备作为一个整体当做一个USB设备,如图17-5所示。

以上是USB的物理拓扑结构,但对于用户来说,可以略去USB Hub的概念,或者说USB Hub的概念对于用户可以看成是透明的。用户只需要将USB设备理解成一个USB Host连接多个逻辑设备。可能逻辑设备1和逻辑设备2是集中在第一个物理设备里,例如有的手机连接计算机后,系统会当做多个USB设备加载。因此,作为用户需要用如图17-6所示的逻辑拓扑结构理解USB拓扑结构。

 

17-5  符合设备

 

 

17-6  USB逻辑拓扑结构

但对于具体USB设备来说,每个USB设备的传输绝对不会影响其他USB设备的传输。例如,在有USB设备传输的时候,其他USB设备的带宽不会被占用。对于USB设备来说,每个USB设备是直接连接到USB Host控制器上的。因此,应该用如图17-7所示的视角考虑USB设备的通信。

 

17-7  用户对USB设备的观察

17.1.3  USB通信的流程

USB的连接模式是Host和Devcie的连接模式,它不同于早期的串口和并口,所有的请求必须是Host向Device发出,这就使Host端设计相对复杂,而Device端设计相对简单。Host端会在主板的南桥设计好,而Device的厂商众多,厂商只需要遵循USB协议,重点精力可以放在设备的研发上,而与PC的通信不用过多考虑。

在USB的通信中,可以看成是一个分层的协议。分为三个层次,即最底层USB总线接口层、USB设备层、功能通信层,如图17-8所示。

 

17-8  USB协议

以USB摄像头设备为例,视频播放软件想通过USB总线得到USB摄像头捕捉的视频数据,这就相当于在功能层上。Clinet SW是视频播放软件,Function是USB摄像头。而这些数据的读取需要USB设备层提供的服务,在这一层上,主要是USB设备的驱动调度Host控制器向USB摄像头发出读请求。每个USB设备会有多个管道,使用哪个管道,传输的大小都需要指定。这个层次的USBSystem SW就是USB摄像头的驱动程序。而在USB设备一端一般会有小单片机或者处理芯片负责响应这种读请求,而这一层的传输又依赖于USB总线接口层的服务。在这一层,完全是USB的物理协议,包括如何分成更小的包(packages)传输,如何保证每次包传输不丢失数据等。

对于USB设备驱动程序员,主要是工作在USB设备层,向“上”对应用程序提供读写等接口,向“下”将读取某个管道的请求发往USB Host控制器驱动程序,它实现了最底层的传输请求。

对于每个USB设备,都有一个或者多个的接口(Interface),每个Interface都有多个端点(Endpoints),每个端点通过管道(Pipes)和USB Host控制器连接。每个USB设备都会有一个特殊的端点,即Endpoint0,它负责传输设备的描述信息,同时也负责传输PC与设备之间的控制信息,如图17-9所示。

 

17-9  USB管道与端点

17.1.4  USB四种传输模式

当USB插入USB总线时,USB控制器会自动为该USB设备分配一个数字来标示这个设备。另外,在设备的每个端点都有一个数字来表明这个端点。
USB设备驱动向USB控制器驱动请求的每次传输被称为一个事务(Transaction),事务有四种类型,分别是Bulk Transaction、Control Transaction、Interrupt Transaction和IsochronousTransaction。每次事务都会分解成若干个数据包在USB总线上传输。每次传输必须历经两个或三个部分,第一部分是USB控制器向USB设备发出命令,第二部分是USB控制器和USB设备之间传递读写请求,其方向主要看第一部分的命令是读还是写,第二部分有时候可以没有。第三部分是握手信号。以下针对这四种传输,分别进行讲解。

1.Bulk传输事务

顾名思义,改种事务传输主要是大块的数据,传送这种事务的管道叫做Bulk管道。这种事务传输的时候分为三部分,如图17-10所示。第一部分是Host端发出一个Bulk的令牌请求,如果令牌是IN请求则是从Device到Host的请求,如果是OUT令牌,则是从Host到Device端的请求。
第二部分是传送数据的阶段,根据先前请求的令牌的类型,数据传输有可能是IN方向,也有可能是OUT方向。传输数据的时候用DATA0和DATA1令牌携带着数据交替传送。

第三部分是握手信号。如果数据是IN方向,握手信号应该是Host端发出,如果是OUT方向,握手信号应该是Device端发出。握手信号可以为ACK,表示正常响应,也可以是NAK表示没有正确传送。STALL表示出现主机不可预知的错误。
在第二部分,即传输数据包的时候,数据传送由DATA0和DATA1数据包交替发送。数据传输格式DATA1和DATA0,这两个是重复数据,确保在1数据丢失时0可以补上,不至于数据丢失。如图17-11所示。

 

(点击查看大图)图17-10  Bulk传输

 

 

17-11  Bulk传输时的令牌

2.控制传输事务

控制传输是负责向USB设置一些控制信息,传送这种事务的管道是控制管道。在每个USB设备中都会有控制管道,也就是说控制管道在USB设备中是必须的。控制传输也分为三个阶段,即令牌阶段、数据传送阶段、握手阶段,如图17-12所示。

 

17-12  控制传输事务

3.中断传输事务

在USB设备中,有种处理机制类似于PCI中断的机制,这就是中断事务。中断事务的数据量很小,一般用于通知Host某个事件的来临,例如USB鼠标,鼠标移动或者鼠标单击等操作都会通过中断管道来向Host传送事件。在中断事务中,也分为三个阶段,即令牌阶段、数据传输阶段、握手阶段,如图17-13所示。

 

(点击查看大图)图17-13  中断传输事务

4.同步传输事务

USB设备中还有一种事务叫同步传输事务,这种事务能保证传输的同步性。例如,在USB摄像头中传输视频数据的时候会采用这种事务,这种事务能保证每秒有固定的传输量,但与Bulk传输不同,它允许有一定的误码率,这样符合视频会议等传输的需求,因为视频会议首先要保证实时性,在一定条件下,允许有一定的误码率。同步传输事务有只有两个阶段,即令牌阶段、数据阶段,因为不关心数据的正确性,故没有握手阶段,如图17-14所示。

 

17-14  同步传输事务

17.2  Windows下的USB驱动

在Windows上开发USB驱动相对来说比较简单,主要是因为微软已经提供了完备的USB总线驱动,程序员编写的设备驱动只需调用总线驱动即可。在Windows上还有一些工具软件可以帮助开发者查看USB的各类信息,包括设备描述符、配置描述符等。当然,这些描述符在驱动中也会用到。本节将介绍这些工具软件,并介绍这些描述符。

17.2.1  观察USB设备的工具

在学习编写USB驱动之前,有几个USB查看工具需要向读者介绍一下,通过用这些工具能方便地学习USB协议。

首先需要介绍的就是DDK中提供的工具,该工具叫usbview,位于DDK的子目录src\wdm\usb\usbview下,需要用DDK编译环境进行编译。如图17-15所示为usbview的界面,在笔者的计算机里插入了一个USB移动硬盘,在这个软件中已经清楚地列举除了该USB设备的各个信息,如图设备描述符、管道描述符等。

 

(点击查看大图)图17-15  USBView

另一个有用的工具是BusHound,如图17-16所示。BusHound用于监视USB设备的传输数据,它的实现原理是在USB设备驱动之上加载一层过滤驱动程序,将IRP进行拦截,因此可以观察到所有USB数据的传输。使用该软件时需要指明监视哪种USB设备,如图17-16所示,在需要监视的设备上打钩。笔者这里监视的是一个USB移动硬盘。另外,在下面会列出该设备的基本信息,如管道0是控制管道,管道1是输出管道,管道2是输入管道。

 

(点击查看大图)图17-16  BusHound

该软件将USB的传输完全进行监视,包括每个USB的各个管道中的传输情况,都一一进行记录,非常有利于调试驱动。如图17-17所示,Device一栏中标识是何种设备,例如27.2意味着第27号设备的第2号管道。Phase一栏标识传输是输入还是输出。在Data一栏中记录着一次传输的具体内容。

 

(点击查看大图)图17-17  BusHound监视数据传输

17.2.2  USB设备请求

USB的请求是通过控制管道传输的,请求是8个字节,按照如表17-1所示的排列发送:

表17-1

偏移量

变量

大小

数值

描    

0

bmRequestType

1字节

位图

第7位: 数据方向位

0 = 主机到设备

1 = 设备到主机

第6-5位:类型

0 = 标准

1 = 

2 = 厂商自定义

3 = 保留

第4-0位:接收者

0 = 对设备的请求

1 = 对接口的请求

2 = 对管道(端点)的请求

3 = 其他

4-31 = 保留

1

bRequest

1字节

数值

请求类别

2

wValue

2字节

数值

不同请求含义不同

4

wIndex

2字节

数值

不同请求含义不同

6

wLength

2字节

数值

表示需要有多少数据返回

其中,bRequest代表不同的USB请求,它们分别是以下的几种请求,定义在DDK的usb100.h文件中:

#define USB_REQUEST_GET_STATUS                   0x00
#define USB_REQUEST_CLEAR_FEATURE                0x01
#define USB_REQUEST_SET_FEATURE                 0x03
#define USB_REQUEST_SET_ADDRESS                   0x05
#define USB_REQUEST_GET_DESCRIPTOR                0x06
#define USB_REQUEST_SET_DESCRIPTOR               0x07
#define USB_REQUEST_GET_CONFIGURATION           0x08
#define USB_REQUEST_SET_CONFIGURATION          0x09
#define USB_REQUEST_GET_INTERFACE                0x0A
#define USB_REQUEST_SET_INTERFACE                0x0B

17.2.3  设备描述符

在控制管道发起USB设备请求,其中很常见的请求是USB_REQUEST_GET_ DESCRIPTOR,即请求USB设备回答设备或者管道描述符。在请求描述符时,bmRequestType可以指定是针对设备还是针对管道的。

当请求设备描述符后,设备会回答主机该设备的设备描述符,设备描述符是一种固定的数据结构,它定义在DDK中的usb100.h文件中。

typedef struct _USB_DEVICE_DESCRIPTOR {
UCHAR bLength;
UCHAR bDescriptorType;
USHORT bcdUSB;
UCHAR bDeviceClass;
UCHAR bDeviceSubClass;
UCHAR bDeviceProtocol;
UCHAR bMaxPacketSize0;
USHORT idVendor;
USHORT idProduct;
USHORT bcdDevice;
UCHAR iManufacturer;
UCHAR iProduct;
UCHAR iSerialNumber;
UCHAR bNumConfigurations;
} USB_DEVICE_DESCRIPTOR, *PUSB_DEVICE_DESCRIPTOR;

bLength:设备描述符的bLength域应等于18。

bDescriptorType:bDescriptorType域应等于1,以指出该结构是一个设备描述符。

bcdUSB:bcdUSB域包含该描述符遵循的USB规范的版本号(以BCD编码)。现在,设备可以使用值0x0100或0x0110来指出它所遵循的是1.0版本还是1.1版本的USB规范。

bDeviceClass:指出设备类型。

bDeviceSubClass:指出设备子类型。

bDeviceProtocol:指出设备类型所使用的协议。

bMaxPacketSize0:设备描述符的bMaxPacketSize0域,给出了默认控制端点(端点0)上的数据包容量的最大值。

idVendor:厂商代码。

idProduct:厂商专用的产品标识。

bcdDevice:bcdDevice指出设备的发行版本号(0x0100对应版本1.0)。

iManufacturer、iProduct、iSerialNumber:iManufacturer、iProduct和iSerialNumber域指向一个串描述符,该串描述符用人类可读的语言描述设备生产厂商、产品和序列号。这些串是可选的,0值代表没有描述串。如果在设备上放入了序列号串,Microsoft建议应使每个物理设备的序列号唯一。

bNumConfigurations:bNumConfigurations指出该设备能实现多少种配置。Microsoft的驱动程序仅工作于设备的第一种配置(1号配置)。
如图17-18所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求设备描述符,前面已经介绍过,在控制管道中,传输分为三个阶段。第一阶段是令牌阶段,这里Host向设备发送“80 06 00 01 00 00 12 00”8个字节,可以参见表17-1中的解释。第二阶段是数据传输阶段,方向是由设备传给主机,这个例子中设备给主机传递了18(0x12)个字节,这18个字节对应着USB_DEVICE_DESCRIPTOR数据结构。第三阶段是握手阶段,在BusHound软件中没有体现出来。

 

(点击查看大图)图17-18  BusHound抓取设备描述符

17.2.4  配置描述符

每个设备有一个或多个配置描述符,它们描述了设备能实行的各种配置方式。DDK中定义的配置描述符结构如下:

typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR {
UCHAR bLength;
UCHAR bDescriptorType;
USHORT wTotalLength;
UCHAR bNumInterfaces;
UCHAR bConfigurationValue;
UCHAR iConfiguration;
UCHAR bmAttributes;
UCHAR MaxPower;
} USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR, *PUSB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;

bLength:bLength应该为9。

bDescriptorType:bDescriptorType应该为2,即是一个9字节长的配置描述符。

wTotalLength:wTotalLength域为该配置描述符长度加上该配置内所有接口和端点描述符长度的总和。通常,主机在发出一个GET_DESCRIPTOR请求并正确接收到9字节长的配置描述符后,就会再发出一个GET_DESCRIPTOR请求并指定这个总长度。第二个请求把这个大联合描述符传输回来。

bNumInterfaces:指出该配置有多少个接口。

bConfigurationValue:bConfigurationValue域是该配置的索引值。

iConfiguration:iConfiguration域是一个可选的串描述符索引,指向描述该配置的Unicode字符串。此值为0表明该配置没有串描述符。

bmAttributes:bmAttributes字节包含描述该配置中设备电源和其他特性的位掩码。

MaxPower:MaxPower域中指出要从USB总线上获取的最大电流量。

如图17-19所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求配置描述符。其中第一行是Host向Device发送Token令牌,而第二行是Device向Host返回的数据。

 

(点击查看大图)图17-19  BusHound抓取设配置描述符

17.2.5  接口描述符

每个配置有一个或多个接口描述符,它们描述了设备提供功能的接口。

 typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR {
UCHAR bLength;
UCHAR bDescriptorType;
UCHAR bInterfaceNumber;
UCHAR bAlternateSetting;
UCHAR bNumEndpoints;
UCHAR bInterfaceClass;
UCHAR bInterfaceSubClass;
UCHAR bInterfaceProtocol;
UCHAR iInterface;
} USB_INTERFACE_DESCRIPTOR, *PUSB_INTERFACE_DESCRIPTOR;

bLength:bLength应该为9。

bDescriptorType:bDescriptorType域应为4。

bInterfaceNumber:bInterfaceNumber是索引值。

bAlternateSetting:bAlternateSetting是索引值。用在SET_INTERFACE控制事务中以指定要激活的接口。

bNumEndpoints:bNumEndpoints域指出该接口有多少个端点,不包括端点0,端点0被认为总是存在的,并且是接口的一部分。

bInterfaceClass:bInterfaceClass为接口类。

bInterfaceSubClass:bInterfaceSubClass为子接口类。

bInterfaceProtocol:bInterfaceProtocol为协议。

iInterface:iInterface是一个串描述符的索引,0表示该接口无描述串。

如图17-20所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求配置描述符和接口描述符。其中第一行是Host向Device发送Token令牌,而第二行是Device向Host返回的数据。可以看出图中有一个配置描述符,后面紧接着一个接口描述符(“09 04 00 00 02 00 06 50 05”),后面还有两个接口描述符(下一节介绍)。

 

(点击查看大图)图17-20  BusHound抓取接口描述符

17.2.6  端点描述符

接口可以没有或有多个端点描述符,它们描述了处理事务的端点。DDK中定义的端点描述符结构如下:

 typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR {
UCHAR bLength;
UCHAR bDescriptorType;
UCHAR bEndpointAddress;
UCHAR bmAttributes;
USHORT wMaxPacketSize;
UCHAR bInterval;
} USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR, *PUSB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;

bLength:bLength应为7。

bDescriptorType:bDescriptorType应该为5。

bEndpointAddress:bEndpointAddress域编码端点的方向性和端点号。

bmAttributes:bmAttributes的低两位指出端点的类型。0代表控制端点,1代表等时端点,2代表批量端点,3代表中断端点。

wMaxPacketSize:wMaxPacketSize值指出该端点在一个事务中能传输的最大数据量。

bInterval:中断端点和等时端点描述符还有一个用于指定循检间隔时间的bInterval域。

17.3  USB驱动开发实例

本节具体介绍如何进行USB驱动的开发,本节采用的源码来源自DDK的源程序,其位置在DDK子目录的src\wdm\usb\bulkusb目录下。该示例很全面地支持了即插即用IRP的处理,也很全面地支持了电源管理,同时很好地支持了USB设备的bulk读写。如果从头开发USB驱动,往往很难达到USB驱动的稳定性,所以强烈建议读者在此驱动修改的基础上进行USB驱动开发。

17.3.1  功能驱动与物理总线驱动

DDK已经为USB驱动开发人员提供了功能强大的USB物理总线驱动(PDO),程序员需要做的事情是完成功能驱动(FDO)的开发。驱动开发人员不需要了解USB如何将请求转化成数据包等细节,程序员只需要指定何种管道,发送何种数据即可。

当功能驱动想向某个管道发出读写请求时,首先构造请求发给USB总线驱动。这种请求是标准的USB请求,被称为URB(USB Request Block),即USB请求块。这种URB被发送到USB物理总线驱动以后,被USB总线驱动所解释,进而转化成请求发往USB HOST驱动或者USB HUB驱动,如图17-21所示。

 

17-21  总线驱动与功能驱动的关系

可以看出,USB总线驱动完成了大部分工作,并留给USB功能驱动标准的接口,即URB请求。USB驱动开发人员只需要根据不同的USB设备的设计要求,在相应的管道中发起URB请求即可。

17.3.2  构造USB请求包

USB驱动在与USB设备通信的时候,如在控制管道中获取设备描述符、配置描述符、端点描述符,或者在Bulk管道中获取大量数据,都是通过创建USB请求包(URB)来完成的。URB中填充需要对USB的请求,然后将URB作为IRP的一个参数传递给底层的USB总线驱动。在USB总线驱动中,能够解释不同URB,并将其转化为USB总线上的相应数据包。

DDK提供了构造URB的内核函数UsbBuildGetDescriptorRequest,其声明如下:

VOID 
UsbBuildGetDescriptorRequest(
IN OUT PURB  Urb,
IN USHORT  Length,
IN UCHAR  DescriptorType,
IN UCHAR  Index,
IN USHORT  LanguageId,
IN PVOID  TransferBuffer  OPTIONAL,
IN PMDL  TransferBufferMDL  OPTIONAL,
IN ULONG  TransferBufferLength,
IN PURB  Link  OPTIONAL
);

Urb:用来输出的URB结构的指针。

Length:用来描述该URB结构的大小。

DescriptorType:描述该URB的类型。它可以是USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE、USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE和USB_STRING_DESCRIPTOR_ TYPE。

Index:用来描述设备描述符的索引。

LanguageId:用来描述语言ID。

TransferBuffer:如果用缓冲区读取设备,TransferBuffer是缓冲区内存的指针。

TransferBufferMDL:如果用直接读取内存时,TransferBufferMDL是直接读取内存时MDL的指针。

TransferBufferLength:对于该URB所操作内存的大小。

在功能驱动中,所有与USB的通信,都需要用这个函数创建URB,并通过IRP发送到底层USB总线驱动,以下是一个最基本的示例。

#001               UsbBuildGetDescriptorRequest(
#002                       urb,
#003                       (USHORT) sizeof(struct _URB_
CONTROL_DESCRIPTOR_REQUEST),
#004                       USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE,
#005                       0,
#006                       0,
#007                       deviceDescriptor,
#008                       NULL,
#009                       siz,
#010                       NULL);

17.3.3  发送USB请求包

功能驱动将URB包构造完毕后,就可以发送到底层总线驱动上了。URB包要和一个IRP相关联起来,这就需要用IoBuildDeviceIoControlRequest创建一个IO控制码的IRP,然后将URB作为IRP的参数,用IoCallDriver将URB发送到底层总线驱动上。由于上层驱动无法知道底层驱动是同步还是异步完成的,因此需要做一个判断。if语句判断当异步完成IRP时,用事件等待总线驱动完成这个IRP。

 #001   //该函数实现对发送URBUSB物理总线驱动
#002   NTSTATUS
#003   CallUSBD(
#004       IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
#005       IN PURB           Urb
#006       )
#007   {
#008       PIRP               irp;
#009       KEVENT             event;
#010       NTSTATUS           ntStatus;
#011       IO_STATUS_BLOCK    ioStatus;
#012       PIO_STACK_LOCATION nextStack;
#013       PDEVICE_EXTENSION  deviceExtension;
#014  
#015    //
首先是变量初始化
#016       irp = NULL;
#017       deviceExtension = DeviceObject->DeviceExtension;
#018       //
初始化事件
#019       KeInitializeEvent(&event, NotificationEvent, FALSE);
#020    //
创建IO控制码相关的IRP
#021       irp = IoBuildDeviceIoControlRequest
(IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB,
#022                                           deviceExtension->
TopOfStackDeviceObject,
#023                                           NULL,
#024                                           0,
#025                                           NULL,
#026                                           0,
#027                                           TRUE,
#028                                           &event,
#029                                           &ioStatus);
#030  
#031       if(!irp) {
#032     //
如果IRP创建失败则返回
#033           BulkUsb_DbgPrint(1, ("IoBuildDeviceIo
ControlRequest failed\n"));
#034           return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
#035       }
#036    //
得到下一层设备栈
#037       nextStack = IoGetNextIrpStackLocation(irp);
#038       ASSERT(nextStack != NULL);
#039       nextStack->Parameters.Others.Argument1 = Urb;
#040       BulkUsb_DbgPrint(3, ("CallUSBD::"));
#041       BulkUsb_IoIncrement(deviceExtension);
#042    //
通过IoCallDriverIRP发送到底层驱动
#043       ntStatus = IoCallDriver(deviceExtension->
TopOfStackDeviceObject, irp);
#044    //
如果IRP是异步完成时,等待其结束
#045       if(ntStatus == STATUS_PENDING) {
#046     //
等待IRP结束
#047           KeWaitForSingleObject(&event,
#048                                 Executive,
#049                                 KernelMode,
#050                                 FALSE,
#051                                 NULL);
#052           ntStatus = ioStatus.Status;
#053       }
#054       //
调用结束
#055       BulkUsb_DbgPrint(3, ("CallUSBD::"));
#056       BulkUsb_IoDecrement(deviceExtension);
#057       return ntStatus;
#058   }

此段代码可以在配套光盘中本章的sys目录下找到。

17.3.4  USB设备初始化

USB驱动的初始化和一般驱动类似,首先是进入入口函数DriverEntry,在DriverEntry函数中,分别指定各个IRP的派遣函数地址、指定AddDevice例程函数地址、指定Unload例程函数地址等。

在AddDevice例程中,创建功能设备对象,然后将该对象挂载在总线设备对象之上,从而形成设备栈。另外为设备创建一个设备链接,便于应用程序可以找到这个设备。也可以根据具体需要,从注册表中读取一些必要的设置。

17.3.5  USB设备的插拔

由于USB设备驱动是基于WDM框架的,因此需要对即插即用消息进行处理。BulkUSB程序对即插即用IRP的支持非常完善,具体可以参照其代码,这里简单提一下其对插拔的处理。

插拔设备会设计4个即插即用IRP,包括IRP_MN_START_DEVICE、IRP_MN_STOP_ DEVICE、IRP_MN_EJECT和IRP_MN_SURPRISE_REMOVAL。其中,IRP_MN_START_DEVICE消息是当驱动争取加载并运行时,操作系统的即插即用管理器会将这个IRP发往设备驱动。因此,当获得这个IRP后,USB驱动需要获得USB设备类别描述符,如设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等。并通过这些描述符,从中获取有用信息,记录在设备扩展中。

IRP_MN_STOP_DEVICE是设备关闭前,即插即用管理器发的IRP。USB驱动获得这个IRP时,应该尽快结束当前执行的IRP,并将其逐个取消掉。另外,在设备扩展中还应该有表示当前状态的变量,当IRP_MN_STOP_DEVICE来临时,将当前状态记录成停止状态。

IRP_MN_EJECT是设备被正常弹出,而IRP_MN_SURPRISE_REMOVAL则是设备非自然弹出,有可能意外掉电或者强行拔出等。在这种IRP到来的时候,应该强迫所有未完成的读写IRP结束并取消。并且将当前的设备状态设置成设备被拔掉。

17.3.6  USB设备的读写

USB设备接口主要是为了传送数据,80%的传输是通过Bulk管道。在BulkUSB驱动中,Bulk管道的读取是在IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的派遣函数中,这样在应用程序中就可以通过ReadFile和WriteFile等API对设备进行操作了。

在IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的派遣例程中设置了完成例程,如图17-22所示。其原理是将读写的大小分成单位为BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE的若干块,依次将请求发往底层USB总线驱动。第一个块是派遣例程先设置BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小的读写,并设置完成例程,然后将请求发往USB总线驱动。当USB总线驱动完成BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小的读写后,会调用读写的完成例程。

这时候在完成例程中再次发起BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小的读写,并将请求发往底层USB总线驱动,当USB总线驱动完成后,又会进入完成例程。之后发送第三个数据块,并且依此类推直到传送完毕。

 

17-22  USB读写派遣例程与完成例程

以下是BulkUSB的读写派遣函数的部分代码:

 #001   NTSTATUS
#002   BulkUsb_DispatchReadWrite(
#003       IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
#004       IN PIRP           Irp
#005       )
#006   {
#007       PMDL                    mdl;
#008       PURB                    urb;
#009       ULONG                   totalLength;
#010       ULONG                   stageLength;
#011       ULONG                  urbFlags;
#012       BOOLEAN               read;
#013       NTSTATUS               ntStatus;
#014       ULONG_PTR             virtualAddress;
#015       PFILE_OBJECT          fileObject;
#016       PDEVICE_EXTENSION     deviceExtension;
#017       PIO_STACK_LOCATION   irpStack;
#018       PIO_STACK_LOCATION   nextStack;
#019       PBULKUSB_RW_CONTEXT   rwContext;
#020       PUSBD_PIPE_INFORMATION pipeInformation;
#021  
#022    //
初始化变量
#023    urb = NULL;
#024       mdl = NULL;
#025       rwContext = NULL;
#026       totalLength = 0;
#027       irpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
#028       fileObject = irpStack->FileObject;
#029       read = (irpStack->MajorFunction == IRP_MJ_READ) ? TRUE : FALSE;
#030       deviceExtension = (PDEVICE_EXTENSION) DeviceObject->DeviceExtension;
#031    //....

#032  
#033    //
设置完成例程的参数
#034       rwContext = (PBULKUSB_RW_CONTEXT) ExAllocatePool(NonPagedPool,
#035                                  sizeof(BULKUSB_RW_CONTEXT));
#036    //...
 
#037       if(Irp->MdlAddress) {
#038           totalLength = MmGetMdlByteCount(Irp->MdlAddress);
#039       }
#040    //
设置URB标志
#041       urbFlags = USBD_SHORT_TRANSFER_OK;
#042       virtualAddress = (ULONG_PTR) MmGetMdlVirtualAddress(Irp->MdlAddress);
#043  
#044    //
判断是读还是写
#045       if(read) {
#046           urbFlags |= USBD_TRANSFER_DIRECTION_IN;
#047       }
#048       else {
#049           urbFlags |= USBD_TRANSFER_DIRECTION_OUT;
#050       }
#051  
#052    //
设置本次读写的大小
#053       if(totalLength > BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE) {
#054           stageLength = BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE;
#055       }
#056       else {
#057           stageLength = totalLength;
#058       }
#059  
#060    //
建立MDL
#061       mdl = IoAllocateMdl((PVOID) virtualAddress,
#062                           totalLength,
#063                           FALSE,
#064                           FALSE,
#065                           NULL);
#066    //
将新MDL进行映射
#067       IoBuildPartialMdl(Irp->MdlAddress,
#068                         mdl,
#069                         (PVOID) virtualAddress,
#070                         stageLength);
#071  
#072    //
申请URB数据结构
#073       urb = ExAllocatePool(NonPagedPool,sizeof
(struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_ TRANSFER));
#074  
#075    //
建立Bulk管道的URB
#076       UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest(
#077                               urb,
#078                               sizeof(struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER),
#079                               pipeInformation->PipeHandle,
#080                               NULL,
#081                               mdl,
#082                               stageLength,
#083                               urbFlags,
#084                               NULL);
#085  
#086    //
设置完成例程参数  
#087       rwContext->Urb             = urb;
#088       rwContext->Mdl             = mdl;
#089       rwContext->Length          = totalLength - stageLength;
#090       rwContext->Numxfer         = 0;
#091       rwContext->VirtualAddress  = virtualAddress + stageLength;
#092       rwContext->DeviceExtension = deviceExtension;
#093    //
设置设备堆栈
#094       nextStack = IoGetNextIrpStackLocation(Irp);
#095       nextStack->MajorFunction = IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL;
#096       nextStack->Parameters.Others.Argument1 = (PVOID) urb;
#097       nextStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode =
#098                                                IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB;
#099    //
设置完成例程
#100       IoSetCompletionRoutine(Irp,
#101                              (PIO_COMPLETION_ROUTINE)BulkUsb_ReadWriteCompletion,
#102                              rwContext,
#103                              TRUE,
#104                              TRUE,
#105                              TRUE);
#106    //
将当前IRP阻塞
#107       IoMarkIrpPending(Irp);
#108    //
IRP转发到底层USB总线驱动
#109       ntStatus = IoCallDriver(deviceExtension->TopOfStackDeviceObject,
#110                               Irp);
#111    //...
略去对不成功时的处理
#112       return STATUS_PENDING;
#113   }

此段代码可以在配套光盘中本章的sys目录下找到。

17.4  小结

本章介绍了USB总线协议的基本框架,其中包括USB总线的拓扑结构,USB通信的流程,还有USB的四种传输模式。笔者用一些工具软件带领读者分析了各种USB令牌、设备描述符等。

USB驱动程序的主要功能就是设置这些USB令牌,和获取USB设备描述符。USB驱动程序将这些请求最终转化为USB请求包(URB包),然后发往USB总线驱动程序。USB总线驱动提供了丰富的功能,它封装了USB协议,提供了标准的接口。这使得USB驱动程序的编写变得简单,程序员不必过多地了解USB总线协议,就可以编写出功能强大的USB驱动程序。

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