USB驅動開發(fā)的步驟及方法解析

隨著USB2.0設備的不斷增加，USB設備驅動開發(fā)在嵌入式開發(fā)中變的越來越重要。Windows CE支持USB 2.0更是對這一波新技術浪潮產生巨大的推動。近期我負責一個這樣的項目，在WinCE下開發(fā)USB接口的外圍設備驅動。當時做這個項目花費了我相當多的時間和精力，錯走許多冤枉路使我精疲力盡。

項目需求是在已調好的ARM9板子上開發(fā)USB WiFi無線網卡的驅動程序，具體要求是驅動程序平臺是WinCE，CPU類型支持ARM構架，要能比較方便地移植到X86；驅動接口類型是USB2.0和Wlan 802.11b。后來因為連接效率一直有問題，就東改西改，最后改的是一塌糊涂。幸好老板比較寬容，給了我充裕的時間和支持，這里將關于USB驅動開發(fā)的點滴理解與大家分享。

1. 什么是WinCE設備驅動程序？

（1）從驅動加載方式來區(qū)分

在深入探討Windows CE所支持的外圍設備驅動程序之前，先了解在WinCE平臺上使用的兩種設備：內建設備和可安裝設備。因此，從驅動加載方式來看WinCE可分為本機設備驅動（Built-In Driver）、可加載驅動（Loadable Driver）以及混合型驅動。

①本機設備驅動

本機設備驅動即Native Device Drivers。WinCE設計成可直接使用內建設備，這些設備由本機驅動過程控制，而本機驅動程序又與WinCE的核心組件緊密相連。這些驅動對應的設備通常在系統(tǒng)啟動時，在GWES的進程空間內被加載，因此它們不是以獨立的DLL形式存在，也因此要求每一個本機驅動程序都必須與稱為設備驅動程序接口（DDI）的特定接口一致。

本機設備是指整合進平臺的設備，其中包括顯示、觸摸面板、音頻、串行埠、LED、電池和PC卡插座等。如果沒有這些本機設備整個系統(tǒng)就不能和用戶信息交流，例如觸摸面板和顯示等。本機驅動程序一般設計為動態(tài)鏈接庫，但有兩個例外：電池和LED驅動程序由于小而設計為靜態(tài)庫（當建立CE圖像時與GWES模塊鏈接）。這些設備相應的驅動程序是在WinCE平臺開發(fā)過程中由OEM開發(fā)的，它們儲存在ROM或閃存內。通常只有OEM才會對本機設備驅動程序進行修改，其它自由設備生產商只提供附加的硬件設備，對本機設備驅動程序不會有過多涉及。

②可加載設備驅動

可加載設備是指可與平臺連接和分離的第三方接口設備，可由用戶隨時安裝和卸載。這種外圍設備的驅動也被稱為流驅動，這些驅動可以在系統(tǒng)啟動時或者和啟動后的任何時候由設備管理器動態(tài)加載。通常這類驅動是以DLL動態(tài)鏈接庫的形式存在，系統(tǒng)加載后這些驅動程序也只是以用戶態(tài)的角色運行。可加載驅動程序是通過文件操作API來從設備管理器和應用程序獲得命令。在WinCE典型的可加載驅動有：PCMCIA driver（PCMCIA.dll）、Serial driver（SERIAL.dll）、ATAFLASH driver（ATA.dll）、Ethernet driver（NE2000.dll，SMSC100FD.dll）。

與本機驅動程序不同的是，所有可加載流驅動程序都共享一個公用接口。該接口由每個驅動程序內的10個功能或記錄點組成，這些功能與應用程序所用的文件API中的功能匹配。因此，控制可加載設備的流接口驅動程序一般由應用程序存取，流接口驅動程序由一個特殊文件來將設備功能展現給應用程序的，該文件可被打開、讀取、寫入和關閉。例如，用戶將一個GPS設備與平臺相連后，就可啟動有GPS功能的應用程序來存取并使用該設備。WinCE是使用已有的API來讓應用程序存取這些驅動程序，而不是建立新的API。

（2）從驅動程序層次上分類

一般可以分為獨立驅動和層次型驅動兩類。獨立驅動程序是指將驅動程序編寫成同時包含Model Device Driver（MDD）和Platform Dependent Driver（PDD）層的獨立驅動。使用獨立驅動的好處在于可以省去MDD和PDD層驅動之間的信息傳遞，這一點在實時處理中非常重要。獨立驅動的代碼包括中斷服務例程和平臺相關處理函數。另外，如果設備的操作和MDD驅動層的接口描述相吻合，用獨立驅動程序可以提高處理性能。

層次型驅動是指分為兩層，較上層的MDD和比較下層的PDD。MDD實現的是和平臺無關的功能，它描述了一個通用的驅動程序框架；而PDD是和硬件以及平臺相關的代碼組成。MDD調用PDD中特定的接口來獲取硬件相關的信息。當使用層次型驅動的時候，一般只需要基于相近的樣列驅動程序，針對特定的硬件只修改PDD程序，MDD建立的框架可繼續(xù)使用。但由于層次間接口的層層調用以及消息的傳遞，使得處理速度相對于獨立驅動程序要慢。因此，在嵌入式實時要求苛刻的環(huán)境下，層次型驅動顯得不是很適合。

簡單的說，獨立驅動是把PDD與MDD寫在一起，沒有做嚴格的區(qū)分，通常這種驅動比較簡單，比如ATADISK。至于本機驅動和加載式流驅動是從驅動與系統(tǒng)其它模塊（調用者）的接口形式上做的分類。所以，一個加載式驅動程序可以是獨立的流式驅動，例如ATADISK；也可以是分層的流式驅動，例如OHCI。也就是說，獨立和分層是驅動實現方式上的分類，而本機和加載流式則是驅動模型上的分類。所謂本機驅動就是操作系統(tǒng)有保留專門的接口，而加載流式驅動是指編寫DLL文件導出各種流式接口函數的接口。

2. USB加載式流接口驅動要點分析

為了支持不同類型的外圍設備，WinCE平臺提供了具有定制接口的流接口驅動程序模型。因為大部分USB外圍設備由于功能性更適合流接口驅動的結構，所以一般都采用加載式流接口驅動程序模型來開發(fā)USB設備驅動程序。

（1）USB系統(tǒng)結構分析

WinCE下USB系統(tǒng)軟件由兩層組成：較高USB設備驅動程序層和較低的USB函數層。較低的USB函數層本身又由兩部分組成：較高的通用串行總線驅動程序（USBD）模塊和較低的主控制器驅動程序（HCD）模塊。通過HCD模塊功能和USBD模塊實現高層的USBD接口函數，USB設備驅動程序就能與外圍設備進行通訊。

在數據傳輸的過程中，操作流程通常按下列的次序進行：①USB設備驅動程序進行數據傳輸的初始化，即通過USBD接口函數給USBD模塊發(fā)送數據傳輸的請求。②USBD模塊將該請求分成一些單獨的事務。③HCD模塊排出事務次序。④主控制器硬件執(zhí)行事務。這里需要提醒的是，所有的事務都是從主機發(fā)出的，外圍設備完全是被動接受型的。

（2）USB設備驅動程序入口點函數

從結構分析我們可知，所有的USB設備驅動程序必須在它們的DLL庫設置一定的入口點與USBD模塊進行適當的交互。設置入口點函數有兩個作用：一是使得 USBD 模塊能與外部設備交互；二是使得驅動程序能創(chuàng)建和管理任何可能需要的注冊鍵。

下面簡要介紹相關函數的作用：USBDeviceAttach是當 USB 設備連接到主計算機時運行，USBD模塊會調用這個函數初始化USB設備，取得USB設備信息和配置USB設備，并且申請必需的資源。USBInstallDrive是在第一次加載USB設備驅動程序時首先被調用，它使得驅動程序能創(chuàng)建需要的注冊鍵，用于將一個驅動程序所需的注冊表信息寫入到HKEY_LOCAL_MACHINEDriversUSBClientDrivers目錄下，例如設備名稱等。需要注意的是，USB設備驅動程序不使用標準的注冊表函數，而是使用RegisterClientDriverID（）、RegisterClientSettings（）函數來注冊相應的設備信息。

USBUninstallDriver是在用戶刪除USB設備驅動程序時調用，負責刪除注冊鍵并釋放其它相關資源。它通過調用UnRegisterClientSettings（）和UnRegisterClientDriverID（）函數來刪除由驅動程序的USBInstallDriver（）函數創(chuàng)建的所有注冊鍵。因此，我們在驅動程序中就需要嚴格按照這三個函數的原型來實現，否則就不能為設備管理器所識別。

3．USB設備流接口驅動的實現步驟

從WinCE USB設備驅動模型及結構分析中，我們可以清晰的看到主機和外設之間的實現方式。在主機端，通過USBD模塊和HCD模塊使用默認的PIPE訪問一個通用的邏輯設備，實際上就是說USBD和HCD是一組訪問所有USB設備的邏輯接口，它們負責管理所有USB設備的連接、加載、移除、數據傳輸和通用配置。其中HCD是主機控制驅動，是為USBD提供底層的功能訪問服務，USBD是USB總線驅動，位于HCD的上層，利用HCD的服務提供較高層次的功能。因此，實現USB加載流驅動程序大致需要完成以下步驟：

（1）選擇代表設備的文件名前綴。前綴非常重要，設備管理器在注冊表中通過前綴來識別設備。同時，在流接口命名時也將這個前綴作為入口點函數的前綴，如果設備前綴為XXX，那么流接口對應為XXX_Close，XXX_Init等。

（2）設置驅動的各個入口點函數。所謂入口點是指提供給設備管理器的標準文件I/O接口。在生成一個DLL后，就用設備文件名前綴替換名字中的XXX。因此，每個加載式流接口驅動程序必須實現XXX_Init（）、XXX_IOControl（）以及XXX_PowerUp（）等一組標準的函數，用來完成標準的文件I/O函數和電源管理等。

（3）建立.DEF文件。當設備管理器初始化USB設備編譯出來的流接口函數后，還必須建立一個.def文件。DEF文件定義了DLL要導出的接口集，而且加載式流驅動大多是以DLL形式存在的，所以應將DLL和DEF的文件名統(tǒng)一起來。DEF文件告訴鏈接程序需要輸出什么樣的函數，最后將驅動程序編譯到內核中去，這樣這個USB設備流接口驅動程序就可以被應用程序調用。

（4）在注冊表中為驅動程序建立表項。在注冊表中建立驅動程序入口點，這樣設備管理器才能識別和管理這個驅動。此外，注冊表中還能存儲額外的信息，這些信息可以在驅動運行之后被使用到。

在這次USB驅動開發(fā)過程中，錯走許多冤枉路使我叫苦連天。我感受最深的是由于WinCE提供了通用串行總線驅動程序（USBD）模塊、USBD接口函數全集、樣本主機控制器驅動程序（HCD）模塊。所以，我們只需要根據USB設備硬件特性，利用USBD提供的不同函數，實現流接口函數與外圍設備的交互。在沒有特別的情況下，我最大的收獲經驗是把這些公用的源程序照搬過來，能極大的縮短開發(fā)周期，從而能更快速地進行嵌入式開發(fā)。