摘? 要: 從問題的由來、類驅動程序、通信協議、描述符、驅動開發等對USB的驅動進行分析和討論,提出USB設備使用操作系統嵌入的通用類驅動程序成為趨勢。

　　關鍵詞: USB? 類驅動程序? 人工接口設備(HID)? Windows驅動程序模型(WDM)

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　　最初設計USB(Universal Serial Bus)這種外設總線的目的之一就是為了便于使用,這是計算機發展的產物。外設總線最重要的就是操作系統對外設的自動識別、配置,實現熱插拔,即插即用。本文試圖以人工接口設備(Human interface device,簡稱HID)為主,從問題的由來、類驅動程序、通信協議、描述符、驅動開發等幾個方面來探討一下USB設備的驅動問題。

1 問題的由來

　　一個非常簡單的設備安裝有時得花用戶好幾天時間,原因何在?設備的驅動與其他的驅動程序或軟件不兼容,或隱有bug。如果操作系統本身就含有用戶需要的驅動程序,設備一插就能使用,這是最好不過的事情。

　　現已有上千種不同的設備,許多功能大致一樣。操作系統不可能為所有的設備提供全部的驅動程序。仔細考慮一下,許多設備可歸屬為少數幾個具有普遍特性和需求的類,因而為每種類定義一個通用的API接口,寫出通用的驅動程序是可實現的。

通過定義不同的設備類型,USB試圖實現通用驅動程序這一目標。在USB規范里,除定義了基本的協議和構造用來配置設備和傳輸數據,還為所有的USB設備定義了機械和電器性能要求。USB規范定義了通信、打印、圖像、儲存、音頻和人工接口設備等類。一些設備是單一的類,一些是多種類的綜合體。具有多種類的設備稱為混合設備,在USB規范對設備有詳細的劃分。

2 類驅動程序

　　由于一些類尚未形成標準,Win2000只包含了部分USB類的驅動程序。一旦形成標準得到認可,通用的驅動程序也就自然嵌入到操作系統了。圖1為操作系統中USB驅動接口框圖。這是一個標準的Windows驅動程序模型(WDM),是一種分層模式。核心USB Driver Stack模型描述設備如何安裝和啟動,以及如何為用戶請求服務和與硬件打交道,并為上層USB驅動提供接口。上層驅動完成設備功能并為用戶層提供接口,這使得向USB總線發出請求是通過多層結構。

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　　HID類是為一些人工的輸入或輸出設備而設計的,最常用的象鍵盤、鼠標、游戲控制器。這種類同時也包含了前面板顯示區和鍵盤區(象電話或VCR遠程控制),還有觸覺和聽覺反饋設備。對于HID類的設備,操作系統已經給出了相應的驅動程序。

連接到計算機的USB設備幾乎都包含HID類,用以信號控制。比如一個USB揚聲器,音量、音調控制用HID類,但音頻數據傳輸用音頻類。

　　通常情況下,USB設備與主機通信是經過USB端口,類驅動程序無須擔心或考慮ISA總線、PCI總線、SCSI、IDE或ATAPI接口、串口、并口、鍵盤或鼠標口、游戲接口及相關的一些東西。類驅動程序甚至不需要了解USB端口,這個物理接口被USB主機驅動程序管理形成抽象層,也正因為這個抽象層及其他相應層,使通用驅動程序成為可能。每一層有自己的功能,并為上一層提供了API接口,上層沒有必要了解下一層如何工作及內部體系結構,各層為一個封裝體。

　　圖2所示為USB各層之間的通信流程。USB用明確定義了的層協議來減少復雜化且有利于標準化,各層均有連接,但大多為邏輯型的。最低層的是USB主機控制器和USB設備接口之間的物理連接,包括連接線、連接器、狀態機。其次在計算機方面為USB主機驅動程序,這是操作系統所必須的。在設備方是用于設備管理和請求的固件程序(Firmware)，此層是配置和控制USB接口的邏輯連接。第三層在主機方是設備驅動程序,通常稱為類驅動程序；在設備方是類屬性的固件程序,通過邏輯連接用于特殊類的控制和請求。最頂層為用戶層,為用戶所關心和考慮,比如在主機客戶方為飛行模擬仿真,在設備方則為操縱桿。此時用戶所關心的是操縱桿的輸入,不用考慮這些輸入如何讀、如何打包、如何傳輸。

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3 通信協議

　　與USB設備進行通信,主機軟件打開一系列的管道來傳輸數據。不同的管道對應于USB的不同端口(endpoint)。USB有四種傳輸方式,分別為控制、中斷、同步和批量,每種方式對應各自的管道。除同步方式外,均有握手信號,保證了數據傳輸的準確性。

　　一般的USB設備通常用控制、中斷或數據管道,如圖3所示。數據管道是單向的,用于批量或同步傳輸方式時使用。HID設備通常僅用控制和中斷兩個管道。控制管道為缺省,也可被USB設備用來接收、響應特殊的請求或命令。中斷管道向主機異步發送數據,其實USB不支持真正的中斷,而是用來傳輸無時序特征的信號變化。比如按下鍵、鼠標移動、操縱桿運動,不用特殊的請求就可實時地傳輸數據。

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　　每一種數據傳輸方式中包含了多個事務數據,這些數據被綜合完成一定功能。一個事務數據由三個部分組成:信令包段(Token Packet phase)、數據包段(Data Packet phase)、握手信號包段(Handshade Packet phase)。信令包定義了事務的類型,設備的地址也包含在其中。一些信令包單獨存在,后面沒有跟別的包。數據包里包含了與傳輸有關的負載。在單個的事務數據最大能承載1023個字節。

　　基于相同的管道配置和命令、通用的API接口,USB設備通用驅動程序得以實現,設備之間的差異則使返回的數據結構不同。

4 描述符

　　USB設備用預先定義好的數據結構來表示他們的標識符、性能、請求和協議,通常稱為描述符。設備一插入到主機,操作系統就能立刻根據描述符找到與之相對應的類驅動程序,完成USB設備的枚舉及其他功能。在USB規范里定義了必要的設備、配置、接口、端口、字符串描述。HID類除此之外又定義了報告描述符。報告描述符提供了HID類驅動程序能理解和解釋的報告,報告雖然靈活但卻很復雜。描述符可用固件程序來寫,編譯生成二進制格式后儲存到設備中使用,便于類驅動識別和解釋。

　　下面是作者設計的一個利用EZUSB芯片提供的I2C連接多部醫監設備的報告描述符。圖4為報告描述符所表達的數據結構。

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ReportDescriptor??? ：???； Generated with HID Tool， copied to here

　　DB?? 6，0，0FFH??????； Usage_Page (Vendor Defined)?

　　DB?? 9，1????????????； Usage (I/O Device)?

　　DB?? 0A1H，1???????? ； Collection (Application)

　　DB?? 19H，1????????? ； Usage_Minimum?

　　DB?? 29H，2????????? ； Usage_Maximum?

　　DB?? 15H，0????????? ； Logical_Minimum (0)?

　　DB?? 26H，255，0???? ； Logical_Maximum (255)

　　DB?? 75H，8????????? ； Report_Size (8)

　　DB?? 95H，1????????? ； Report_Count (1) = Read Address

　　DB?? 81H，2????????? ； Input (Data，Var，Abs)

　　DB?? 19H，1????????? ； Usage_Minimum?

　　DB?? 29H，2????????? ； Usage_Maximum?

　　DB?? 95H，2????????? ；?Report_Count (2)=Write Address+Data

　　DB?? 91H， 2???????? ； Output (Data，Var，Abs)

　　DB?? 0C0H????????????； End_Collection

　　ReportLength? EQU ＄-ReportDescriptor

5 驅動程序的開發

　　對于USB設備來說,開發驅動程序是一件比較復雜的事情。通常驅動程序要實現以下的功能:

　　·設備的初始化;

　　·即插即用創建和刪除設備;

　　·處理Win32打開和關閉文件句柄的請求;

　　·類功能定義IOCTL(I/O Control)、功能實現；

　　·IRP(I/O Request Packet)的調用處理;

　　·調用其他的驅動程序;

　　·訪問硬件。

　　USB驅動程序設計的核心是端點(Endpoint)及數據傳輸類型的選擇,通過端點建立起管道通信,實現定義的功能。這樣,在應用層和設備之間就建立起了虛擬的通道,所有這些通過多線程的句柄調用實現。

　　每個驅動程序都必須有一個DriverEntry入口函數,用于系統調用。

NTSTATUS DriverEntry( IN PDRIVER_OBJECT DriverObject，

???????????????????? IN PUNICODE_STRING RegistryPath)

{

　　NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS；

　　// Export other driver entry points...

　　DriverObject->DriverUnload = USBUnload；

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]=USBCreate；

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]=USBClose；

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=USBRead；

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] =USBWrite；

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = USBDeviceControl；

　　RegisterForPnpNotification(DriverObject)；

　　return status；

}

　　寫驅動程序的軟件較多,目前比較流行的軟件是DriverStudio、WinDriver等。它們均提供用于生成USB驅動的代碼生成器,用戶按照提示可以定義設備的配置和功能,然后做功能修改即可。利用軟件提供的例子進行修改也是一個比較好的捷徑。

USB技術的應用,是計算機產業的一大發展。目前以微軟為代表的各大公司積極對其進行開發,使得應用越來越廣泛。微軟操作系統集成了HID類、音頻類的USB驅動程序。作者用EZUSB以HID類連接醫監設備,不用寫驅動程序在Win2000上運行良好。針對開發USB器件的需要,作者根據HID規范定義了自己特殊的類并重新寫上層的類驅動程序,測試較為滿意。從長遠的角度來看,操作系統通過集成類驅動程序來支持各種USB設備勢在必行。

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參考文獻

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2 Chris Cant.Writing Windows WDM Device Drivers

3 EZ-USB Technical Reference Manual Version1.6.Anchor Chips Incorporated. Copyright1999

4 Jim Lyle.USB Primer Classer and Drivers

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July 4， 1999

6 Peter G.Viscarola &W.Anthony Mason.Windows NT Device Driver Development

7 Mike Zerkus，John Lusher,Jonathan Ward.USB Primer

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