1 引言
隨著微機技術水平的日益提高,傳統的計算機接口已經不能滿足當前計算機高速發展的需求,計算機業迫切需要一種新的通用型、高速總線接口,通用外設接口標準USB 就應運而生。
USB,全稱是Universal Serial Bus(通用串行總線),是一種新型的、基於令牌的、高速的串行總線標準,由Compaq、Microsoft、Intel、IBM 等七家公司共同開發的, 旨在解決日益增加的PC 外設與有限的主板插槽和埠之間的矛盾而制定的一種串行通信標準[3],自1995年在Comdex 上亮相以來已廣泛地為各PC 廠家支持。
現在市場上幾乎所有的P C 機器都配備了US B 接口,USB 接口之所以能夠得到廣泛支持和快速普及,是因為它具備以下優點:
正由於上述優點, 開發USB 接口的設備已成為一種發展趨勢。然而隨著USB 技術的迅猛發展, 傳統的USB1 . 1 接口已經不能適應用戶的需求, 於是在1 9 9 9年在I nt e l 的開發者論壇大會上又提出了USB2 . 0 技術, 使得US B 不僅支持1 . 5Mb / s 的「低速」, 傳輸和12Mb/s 的「全速」傳輸,而且支持480Mb/s 的「高速」
傳輸,比USB1.1 標準快40 倍左右,速度的提高對於用戶的最大好處就是意味著用戶可以使用到更高效的外部設備, 而且具有多種速度的周邊設備都可以被連接到USB 2.0 的線路上,而且無需擔心數據傳輸時發生瓶頸效應。
2 USB 驅動程序設計
一個完整的USB 系統包括主機系統包括主機系統和USB 設備。
所有的傳輸事務都是由主機發起的。一個主機系統又可以分為以下幾個層次結構, 如圖1 所示。
USB 總線接口包括USB 主控制器和根集線器,其中USB 主控制器負責處理主機與設備之間電氣和協議層的互連,根集線器提供USB 設備連接點。USB 系統使用USB 主控制器來管理主機和USB 設備之間的數據傳輸,另外它也負責管理USB 資源,如帶寬等。應用軟體不能直接訪問US B 設備硬體, 而通過US B 系統和USB 總線接口與USB 設備進行交互。
圖1 USB 通信模型層次關係。
USB 設備包含一些向主機軟體提供一系列USB設備的特徵和能力的信息的設備描述符, 用來配置設備和定位USB 設備驅動程序。這些信息確保了主機以正確的方式訪問設備。通常, 一個設備有一個或多個配置( C o n f i g u r a t i o n ) 來控制其行為。配置是接口( Int er fa ce )的集合,接口指出軟體應該如何訪問硬體。
接口又是端點(endpoint)的集合,每一個與USB 交換數據的硬體就為端點, 它是作為通信管道的一個終點。
圖1 顯示了一個多層次結構的通信模型, 它表明了端點和管道所扮演的角色。
2.1 USB 驅動程序結構
1) USB 驅動程序體系結構
運行在核心態的USB 驅動程序是基於WIN32 驅動程序模型WDM(Windows Driver Model)的,它採用分層驅動程序模型,由USB 總線驅動程序和USB 功能驅動程序兩部分組成, 總線驅動程序由作業系統提供, 用戶只需要編寫相應的功能驅動程序即可。
2) 處理流程
因為I /O 管理器把每一個設備對用戶程序都抽象成文件,所以用戶程序通過調用文件操作API 函數就可以實現與驅動程序中某個設備的通信。
用戶程序發送的請求由I /O 管理器轉換為具有不同主功能代碼的IRP ( I /O 請求包) 發送給功能驅動程序。功能驅動程序接收該IRP,在回調程序中根據IRP中包含的具體操作代碼, 構造相應的US B 請求, 把它放到一個新的IRP 中,並把這個新的IRP 傳遞給USB總線驅動程序。USB 總線驅動程序根據IRP 中所包含的USB 請求塊執行相應操作, 再將操作結果通過IRP返還給功能驅動程序, 功能驅動程序接收此IRP , 將操作結果通過IRP 返還I/O 管理器。最後,I/O 管理器將此IRP 中的操作結果返回給應用程式。至此, 應用程式對USB 設備的一次I /O 操作完成, 其處理流程如圖2 所示。
圖2 W D M 型的U S B 驅動程序體系結構。
3 USB 設備驅動程序中關鍵代碼實現
下面是以開發的A R M 讀寫驅動程序為例, 介紹USB 驅動程序中幾個關鍵例程的實現。本驅動程序的主要功能是控制USB 設備上的ARM 並對ARM 板進行讀寫操作。
1) 初始化函數 DriverEntry()
設備驅動程序與應用程式不同,沒有main()或WinMain()函數,而是有一個名為DriverEntry()的入口函數,它通常完成一些初始化工作。當設備驅動程序被加載時,作業系統調用這個入口。
2) 創建設備函數 AddDevice()
大多數的PDO 都是在PnP 管理器調用該程序入口點時被創建的。插入新設備後, 系統啟動時, 總線枚舉器會搜索總線上的所有設備,自動尋找並安裝設備的驅動程序,並由驅動程序中的處理PnP 功能模塊自動處理AddDevice()。本程序使用CreateDevice()函數創建設備對象,再使用RegiSTerDevicelnterface()函數將設備組成一個特定的設備接口,然後通過AttachDeviceToDeviceStack()函數關聯設備棧。
3) ARM 的傳輸處理函數UsbTransmit()
該函數是實現本驅動程序功能的關鍵, 它用來與ARM 進行通信。分析發送的請求數據後根據命令的具體含義對ARM 進行讀寫操作。應用層通過調用標準的ARM 板函數來發送I/O 請求。
4 結束語
隨著支持USB 的個人電腦的普及,大量支持USB接口外設的不斷湧現, 以及USB 技術的發展和不斷完善, 因此基於USB 驅動程序的開發也將成為這一發展趨勢的重中之重。本文介紹了USB 的通信模型, 分析了基於WDM 的USB 驅動開發的關鍵所在,結合ARM驅動程序開發介紹了DDK 開發環境的構建,最終結合實際系統完成了基於DDK 的USB 接口WDM 驅動開發和調試。