基于USB設(shè)備的接口驅(qū)動設(shè)計(jì)方法解析

隨著USB2.0設(shè)備的不斷增加，USB設(shè)備驅(qū)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(shù)浪潮產(chǎn)生巨大的推動。近期我負(fù)責(zé)一個這樣的項(xiàng)目，在WinCE下開發(fā)USB接口的外圍設(shè)備驅(qū)動。當(dāng)時做這個項(xiàng)目花費(fèi)了我相當(dāng)多的時間和精力，錯走許多冤枉路使我精疲力盡。

項(xiàng)目需求是在已調(diào)好的ARM9板子上開發(fā)USB WiFi無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序，具體要求是驅(qū)動程序平臺是WinCE，CPU類型支持ARM構(gòu)架，要能比較方便地移植到X86；驅(qū)動接口類型是USB2.0和Wlan 802.11b。后來因?yàn)檫B接效率一直有問題，就東改西改，最后改的是一塌糊涂。

1. 什么是WinCE設(shè)備驅(qū)動程序？

（1）從驅(qū)動加載方式來區(qū)分

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

①本機(jī)設(shè)備驅(qū)動

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

本機(jī)設(shè)備是指整合進(jìn)平臺的設(shè)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(jī)設(shè)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(jī)驅(qū)動程序一般設(shè)計(jì)為動態(tài)鏈接庫，但有兩個例外：電池和LED驅(qū)動程序由于小而設(shè)計(jì)為靜態(tài)庫（當(dāng)建立CE圖像時與GWES模塊鏈接）。這些設(shè)備相應(yīng)的驅(qū)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(nèi)。通常只有OEM才會對本機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行修改，其它自由設(shè)備生產(chǎn)商只提供附加的硬件設(shè)備，對本機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序不會有過多涉及。

②可加載設(shè)備驅(qū)動

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

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

（2）從驅(qū)動程序?qū)哟紊戏诸?/p>

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

層次型驅(qū)動是指分為兩層，較上層的MDD和比較下層的PDD。MDD實(shí)現(xiàn)的是和平臺無關(guān)的功能，它描述了一個通用的驅(qū)動程序框架；而PDD是和硬件以及平臺相關(guān)的代碼組成。MDD調(diào)用PDD中特定的接口來獲取硬件相關(guān)的信息。當(dāng)使用層次型驅(qū)動的時候，一般只需要基于相近的樣列驅(qū)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(diào)用以及消息的傳遞，使得處理速度相對于獨(dú)立驅(qū)動程序要慢。因此，在嵌入式實(shí)時要求苛刻的環(huán)境下，層次型驅(qū)動顯得不是很適合。

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

2. USB加載式流接口驅(qū)動要點(diǎn)分析

為了支持不同類型的外圍設(shè)備，WinCE平臺提供了具有定制接口的流接口驅(qū)動程序模型。因?yàn)榇蟛糠諹SB外圍設(shè)備由于功能性更適合流接口驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，所以一般都采用加載式流接口驅(qū)動程序模型來開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序。

（1）USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

WinCE下USB系統(tǒng)軟件由兩層組成：較高USB設(shè)備驅(qū)動程序?qū)雍洼^低的USB函數(shù)層。較低的USB函數(shù)層本身又由兩部分組成：較高的通用串行總線驅(qū)動程序（USBD）模塊和較低的主控制器驅(qū)動程序（HCD）模塊。通過HCD模塊功能和USBD模塊實(shí)現(xiàn)高層的USBD接口函數(shù)，USB設(shè)備驅(qū)動程序就能與外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，操作流程通常按下列的次序進(jìn)行：①USB設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，即通過USBD接口函數(shù)給USBD模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱蟆＂赨SBD模塊將該請求分成一些單獨(dú)的事務(wù)。③HCD模塊排出事務(wù)次序。④主控制器硬件執(zhí)行事務(wù)。這里需要提醒的是，所有的事務(wù)都是從主機(jī)發(fā)出的，外圍設(shè)備完全是被動接受型的。

（2）USB設(shè)備驅(qū)動程序入口點(diǎn)函數(shù)

從結(jié)構(gòu)分析我們可知，所有的USB設(shè)備驅(qū)動程序必須在它們的DLL庫設(shè)置一定的入口點(diǎn)與USBD模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕换?。設(shè)置入口點(diǎn)函數(shù)有兩個作用：一是使得 USBD 模塊能與外部設(shè)備交互；二是使得驅(qū)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(guān)函數(shù)的作用：USBDeviceAttach是當(dāng) USB 設(shè)備連接到主計(jì)算機(jī)時運(yùn)行，USBD模塊會調(diào)用這個函數(shù)初始化USB設(shè)備，取得USB設(shè)備信息和配置USB設(shè)備，并且申請必需的資源。USBInstallDrive是在第一次加載USB設(shè)備驅(qū)動程序時首先被調(diào)用，它使得驅(qū)動程序能創(chuàng)建需要的注冊鍵，用于將一個驅(qū)動程序所需的注冊表信息寫入到HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\USB\ClientDrivers目錄下，例如設(shè)備名稱等。需要注意的是，USB設(shè)備驅(qū)動程序不使用標(biāo)準(zhǔn)的注冊表函數(shù)，而是使用RegisterClientDriverID（）、RegisterClientSettings（）函數(shù)來注冊相應(yīng)的設(shè)備信息。

USBUninstallDriver是在用戶刪除USB設(shè)備驅(qū)動程序時調(diào)用，負(fù)責(zé)刪除注冊鍵并釋放其它相關(guān)資源。它通過調(diào)用UnRegisterClientSettings（）和UnRegisterClientDriverID（）函數(shù)來刪除由驅(qū)動程序的USBInstallDriver（）函數(shù)創(chuàng)建的所有注冊鍵。因此，我們在驅(qū)動程序中就需要嚴(yán)格按照這三個函數(shù)的原型來實(shí)現(xiàn)，否則就不能為設(shè)備管理器所識別。

3．USB設(shè)備流接口驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)步驟

從WinCE USB設(shè)備驅(qū)動模型及結(jié)構(gòu)分析中，我們可以清晰的看到主機(jī)和外設(shè)之間的實(shí)現(xiàn)方式。在主機(jī)端，通過USBD模塊和HCD模塊使用默認(rèn)的PIPE訪問一個通用的邏輯設(shè)備，實(shí)際上就是說USBD和HCD是一組訪問所有USB設(shè)備的邏輯接口，它們負(fù)責(zé)管理所有USB設(shè)備的連接、加載、移除、數(shù)據(jù)傳輸和通用配置。其中HCD是主機(jī)控制驅(qū)動，是為USBD提供底層的功能訪問服務(wù)，USBD是USB總線驅(qū)動，位于HCD的上層，利用HCD的服務(wù)提供較高層次的功能。因此，實(shí)現(xiàn)USB加載流驅(qū)動程序大致需要完成以下步驟：

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

（2）設(shè)置驅(qū)動的各個入口點(diǎn)函數(shù)。所謂入口點(diǎn)是指提供給設(shè)備管理器的標(biāo)準(zhǔn)文件I/O接口。在生成一個DLL后，就用設(shè)備文件名前綴替換名字中的XXX。因此，每個加載式流接口驅(qū)動程序必須實(shí)現(xiàn)XXX_Init（）、XXX_IOControl（）以及XXX_PowerUp（）等一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，用來完成標(biāo)準(zhǔn)的文件I/O函數(shù)和電源管理等。

（3）建立.DEF文件。當(dāng)設(shè)備管理器初始化USB設(shè)備編譯出來的流接口函數(shù)后，還必須建立一個.def文件。DEF文件定義了DLL要導(dǎo)出的接口集，而且加載式流驅(qū)動大多是以DLL形式存在的，所以應(yīng)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(shù)，最后將驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核中去，這樣這個USB設(shè)備流接口驅(qū)動程序就可以被應(yīng)用程序調(diào)用。

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

在這次USB驅(qū)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(qū)動程序（USBD）模塊、USBD接口函數(shù)全集、樣本主機(jī)控制器驅(qū)動程序（HCD）模塊。所以，我們只需要根據(jù)USB設(shè)備硬件特性，利用USBD提供的不同函數(shù)，實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù)與外圍設(shè)備的交互。在沒有特別的情況下，我最大的收獲經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行嵌入式開發(fā)。
責(zé)任編輯；zl