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。現(xiàn)在幾乎所有的臺式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USB進行控制的函數(shù)和控件，開發(fā)一個基于USB的應用系統(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USB設(shè)備驅(qū)動程序。

2． USB簡介
    一個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)動程序，USB設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備端固件程序和應用程序。USB的通信結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

USB具有以下特點：
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480Mbps。
2、 擴展方便。USB的星式的拓撲結(jié)構(gòu)，在每個PC的USB端口最多擴展127個外設(shè)。
3、 支持完全的即插即用功能，可方便的熱拔插。
4、 可自動檢測外設(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、中斷和批量等四種數(shù)據(jù)傳輸方式。可滿足不同的外
設(shè)使用。

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

    WDM是一種PNP驅(qū)動程序，同時還遵循電源管理協(xié)議，它直接對硬件抽象層HAL操作，還能在Windows98和Windows2000間實現(xiàn)源碼級兼容。在WDM驅(qū)動程序模型中，每個硬件設(shè)備至少有兩個驅(qū)動程序。其一為功能(function)驅(qū)動程序，即硬件設(shè)備驅(qū)動程序。它了解使硬件工作的所有細節(jié)，負責初始化I/O操作，有責任處理I/O操作完成時所帶來的中斷事件，有責任為用戶提供一種設(shè)備適合的控制方式。另一個為總線(bus)驅(qū)動程序。它負責管理硬件與計算機的連接。WDM模型使用了如圖2的層次結(jié)構(gòu)。

    WDM驅(qū)動程序總是使應用程序調(diào)用設(shè)備時，就像操作一個文件。通常，當一個應用程序需要從硬件端口讀取數(shù)據(jù)時，是通過調(diào)用標準的Windows API函數(shù)，如ReadFile來實現(xiàn)的。而Win32子系統(tǒng)（如KERNEL32.DLL）通過調(diào)用平臺相關(guān)的系統(tǒng)服務接口實現(xiàn)該API，而平臺相關(guān)的系統(tǒng)服務將調(diào)用內(nèi)核模式支持例程。Windows 2000/xp的所有內(nèi)核模式IO操作都使用一個公用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（IRP）。內(nèi)核發(fā)出各種IRP請求給WDM驅(qū)動程序,驅(qū)動程序處理各種IRP請求.每個IRP有一個IO堆棧結(jié)構(gòu),對應相應的驅(qū)動程序。

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

    USB總線驅(qū)動程序負責實際與USB總線通訊，加載和/卸載USB驅(qū)動程序；與USB設(shè)備通過端點建立通訊來執(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。USB設(shè)備驅(qū)動程序（即功能驅(qū)動程序），通過發(fā)送含有USB請求包（URB）的IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL IRP給USB總線驅(qū)動程序來實現(xiàn)與USB設(shè)備的通訊。

    USB設(shè)備驅(qū)動程序可按照處理IRP的不同分為：驅(qū)動程序初始化模塊、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)動程序初始化模塊
    該模塊提供一個驅(qū)動程序的入口例程DriverEntry(),所有對各種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)建一個功能設(shè)備對象FDO，并進行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
    該模塊實現(xiàn)設(shè)備的即插即用功能，熱拔插和動態(tài)配置。當硬件檢測到USB設(shè)備插入時，Windows 2000查找相應的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的DriverEntry例程，即插即用管理器調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程，通知它添加設(shè)備，驅(qū)動利用IocreatDevice()內(nèi)核函數(shù)創(chuàng)建一個功能設(shè)備對象FDO，在此過程中驅(qū)動程序收到IRP_MN_START_DEVICE IRP,請求驅(qū)動程序啟動USB設(shè)備和分配資源。當然，設(shè)備運行過程中，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)出相應的IRP，由驅(qū)動程序進行處理。

    該模塊的啟動設(shè)備例程中要對USB設(shè)備進行初始化操作，它首先讀取設(shè)備描述符，根據(jù)設(shè)備描述符來讀取配置描述符.在讀取配置描述符時，往往先讀一次配置描述符，取出總的描述符長度，再將配置描述符，接口描述符，端點描述符一并讀出，從中獲取各種描述符提供的信息，設(shè)置管道信息，創(chuàng)建一個配置URB，進行設(shè)備配置。需要調(diào)用以下例程：
UsbBuildGetDescriptorRequest(Urb, //組建一個獲取設(shè)備描述符的URB請求
(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，
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)建一個配置設(shè)備的URB。這里使用一個鏈表結(jié)構(gòu)，可配置不只一個接口

4．3電源管理模塊
    實現(xiàn)USB系統(tǒng)的電源管理功能，實現(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)奇怪的響應時間長現(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)動的一種服務機制，它可以完成注冊表的操作，并且可以在用戶應用程序和驅(qū)動程序之間直接數(shù)據(jù)交換，從而使用戶在除了使用IO設(shè)備控制之外，還有一個途徑和驅(qū)動程序交流。它處理IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL IRP請求。此IRP在AddDevice中進行一些初始化工作，確定WMI請求處理的例程，并調(diào)用IoWMIRegistrationControl進行WMI注冊。

4.5 USB設(shè)備IO模塊
    本模塊實現(xiàn)完成IO請求的大部分工作。工作過程：應用程序調(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IRP IRP_MJ_DEVICE_CONTROL.設(shè)備驅(qū)動收到IRP，根據(jù)其中的控制代碼，構(gòu)造相應的URB（USB請求塊），并把它放到一個新的IRP，傳遞到USB類驅(qū)動，執(zhí)行IRP。并把結(jié)果返回給設(shè)備驅(qū)動，設(shè)備驅(qū)動在通過IRP返回給IO管理器，IO管理器將結(jié)果返回給應用程序，即完成一次IO操作。讀寫例程也安排在此模塊，響應讀寫設(shè)備用戶請求。

    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?shù)腢RB請求，如下：
UsbBuildInterruptOrBulkTransferRequest(urb,
          sizeof(struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER,
          PipeInformation->PipeHandle
          NULL,mdl,StageLenth,urbFlags,NULL)//建立傳輸請求URB
    利用總線驅(qū)動提供的內(nèi)部控制碼IOCTL_INTERNAL_USB_SUBMIT_URB,向下層驅(qū)動發(fā)送URB，并設(shè)置完成例程等待請求完成:
nextStack->MajorFuntion=IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL;//設(shè)置下一個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用程序與驅(qū)動程序的交互，這一部分也是與USB設(shè)備聯(lián)系最為緊密的部分。需要對USB協(xié)議有一定的了解。

5． 驅(qū)動程序的幾種開發(fā)工具
    開發(fā)一個USB驅(qū)動程序需要有一個合適的開發(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)動者提供了一個軟件包Driver Development Kit即DDK，其中包含了驅(qū)動程序的編譯器和調(diào)試工具，以及一些幫助文檔和范例，可以在Microsoft的網(wǎng)站上免費下載DDK。代碼的編寫采用c或C++語言，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，對開發(fā)者編寫自己的驅(qū)動程序很有參考價值。

    DriverWorks是Numega公司提供的一個商業(yè)化驅(qū)動程序集成開發(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，就可以實現(xiàn)一個完整的USB設(shè)備驅(qū)動程序。

    WinDriver也是一個商業(yè)化的驅(qū)動程序開發(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，可以在很短的時間內(nèi)完成訪問IO端口和存儲區(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非常強大的組合向?qū)韺崿F(xiàn)的。

6． 結(jié)束語
    USB設(shè)備驅(qū)動程序提供了應用設(shè)備與應用軟件的接口，使應用程序能以文件調(diào)用的方式來高速，快捷地操作設(shè)備。通過設(shè)計USB設(shè)備驅(qū)動程序，我們實現(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)動程序是一個USB應用系統(tǒng)設(shè)計當中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要想對USB開發(fā)有一個全面深入的理解，必須深入理解USB驅(qū)動程序設(shè)計。而且隨著USB技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛應用，USB驅(qū)動程序的編寫也將變得越來越重要。