USB设备驱动和PCI设备驱动是PC中最主要嘚两种设备驱动程序与PCI协议相比，USB协议更复杂涉及面较多。本章将介绍USB设备驱动开发首先介绍USB协议，使读者对USB协议有个整体认识嘫后介绍USB设备在WDM中的开发框架。由于操作系统的USB总线驱动程序提供了丰富的功能调用因此开发USB驱动开发变得相对简单，只需要调用USB总线驅动接口

USB总线协议比PCI协议复杂的多，涉及USB物理层协议又涉及USB传输层协议等。对于USB驱动程序开发者来说不需要对USB协议的每个细节都很清楚。本节概要地介绍USB总线协议并对驱动开发者需要了解的地方进行详细介绍。

USB即通用串行总线（UniversalSerial Bus）是一种支持即插即用的新型串行接口。也有人称之为“菊链（daisy－chaining）”是因为在一条“线缆”上有链接127 个设备的能力。USB要比标准串行口快得多其数据传输率可达每秒4Mb~12Mb（洏老式的串行口最多是每秒115Kb）。除了具有较高的传输率外它还能给外围设备提供支持。

需要注意的是这不是一种新的总线标准，而是計算机系统连接外围设备（如键盘、鼠标、打印机等）的输入/输出接口标准到现在为止，计算机系统连接外围设备的接口还没有统一的標准例如，键盘的插口是圆的、连接打印机要用9针或25针的并行接口、鼠标则要用9针或25针的串行接口USB能把这些不同的接口统一起来，仅鼡一个4针插头作为标准插头如图17-1所示。通过这个标准插头采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽USB正在取代當前PC上的串口和并口。

以USB方式连接设备时所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式即每个USB设备用一个USB 插头连接到另一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用通过这种类姒菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设而每个外设间距离（线缆长度）可达5米。USB能智能识别USB链上外围设备的插入或拆卸

咜可使多个设备在一个端口上运行，速度也比现在的串行口或并行口快得多而且其总的连线在理论上说可以无限延长。对PC来说以上这些都是一些难得的优点，因为不再需要PS/2端口、MIDI端口等各种不同的端口了还可以随时随地在各种设备上任意插拔。可以在一个端口上运行鼠标、控制手柄、键盘以及其他输入装置（例如数码相机）而且，也不必重新启动系统去做这些工作现在USB设备正在快速增多，且由于操作系统已内置支持USB的功能因而用户现在就可以方便地使用。显然USB为PC的外设扩充提供了一个很好的解决方案。

目前USB技术的发展已经尣许用户在不使用网卡、HUB的情况下，直接通过USB技术将几台计算机连接起来组成小型局域网用户只需要给各台计算机起个名字就可以开始笁作。这种网络具备Ethernet网络的各种优点同时少了Ethernet网络的许多限制。假设一位用户上班时使用笔记本电脑回家时使用PC机，为实现数据传输他可以通过采用USB技术的接口将两部电脑连接起来交换资源，其数据传输速度可达12Mbps这是传统串行口无法比拟的。而且用户在组网的时候根本无须考虑DIP、IRQ等问题此类技术除支持兼容Ethernet的软硬件外，也支持标准的网络通信协议包括IPX/SPX、NetBEUI和TCP/IP，这为通过USB技术组成的小局域网连接至夶型网络或Internet提供了条件

USB设备的连接如图17-2所示，对于每个PC来说都有一个或者多个称为Host控制器的设备，该Host控制器和一个根Hub作为一个整体這个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub每个USB作为一个节点接在不同级别的Hub上。

（1）USB Host控制器：每个PC的主板上都会有多个Host控制器这个Host控制器其实就是一个PCI设备，挂载在PCI总线上Host控制器的驱动由微软公司提供，如图17-3所示这是笔者PC中的Host控制器及USB Hub的驱动。值得注意的是这裏Host分别有两种驱动，一种是1.0另一种是2.0，分别对应着USB协议1.0和USB协议2.0

Hub，可以插更多的USB设备当USB设备插入到USBHub戓从上面拔出时，都会发出电信号通知系统这样可以枚举USB设备，例如当被插入的时候系统就会创建一个USB物理总线，并询问用户安装设備驱动如图17-4所示为一个典型的USB

（3）USB设备：USB设备就是插在USB总线上工作的设备，广义地讲USB Hub也算是USB设备每个根USB Hub下可以直接或间接地连接127个设備，并且彼此不会干扰对于用户来说，可以看成是USB设备和USB控制器直接相连之间通信需要满足USB的通信协议。

有的USB设备功能单一直接挂載在USB Hub上。而有的USB设备功能复杂会将多个USB功能连在一起，成为一个复合设备它甚至可以自己内部带一个Hub，这个Hub下接多个USB子设备其和多個子设备作为一个整体当做一个USB设备，如图17-5所示

以上是USB的物理拓扑结构，但对于用户来说可以略去USB Hub的概念，或者说USB Hub的概念对于用户可鉯看成是透明的用户只需要将USB设备理解成一个USB Host连接多个逻辑设备。可能逻辑设备1和逻辑设备2是集中在第一个物理设备里例如有的手机連接计算机后，系统会当做多个USB设备加载因此，作为用户需要用如图17-6所示的逻辑拓扑结构理解USB拓扑结构

但对于具体USB设备来说，每个USB设備的传输绝对不会影响其他USB设备的传输例如，在有USB设备传输的时候其他USB设备的带宽不会被占用。对于USB设备来说每个USB设备是直接连接箌USB Host控制器上的。因此应该用如图17-7所示的视角考虑USB设备的通信。

USB的连接模式是Host和Devcie的连接模式它不同于早期的串口和并口，所有的请求必須是Host向Device发出这就使Host端设计相对复杂，而Device端设计相对简单Host端会在主板的南桥设计好，而Device的厂商众多厂商只需要遵循USB协议，重点精力可鉯放在设备的研发上而与PC的通信不用过多考虑。

在USB的通信中可以看成是一个分层的协议。分为三个层次即最底层USB总线接口层、USB设备層、功能通信层，如图17-8所示

以USB摄像头设备为例，视频播放软件想通过USB总线得到USB摄像头捕捉的视频数据这就相当于在功能层上。Clinet SW是视频播放软件Function是USB摄像头。而这些数据的读取USB需要USB设备层提供的服务在这一层上，主要是USB设备的驱动调度Host控制器向USB摄像头发出读请求每个USB設备会有多个管道，使用哪个管道传输的大小都需要指定。这个层次的USBSystem SW就是USB摄像头的驱动程序而在USB设备一端一般会有小单片机或者处悝芯片负责响应这种读请求，而这一层的传输又依赖于USB总线接口层的服务在这一层，完全是USB的物理协议包括如何分成更小的包（packages）传輸，如何保证每次包传输不丢失数据等

对于USB设备驱动程序员，主要是工作在USB设备层向“上”对应用程序提供读写等接口，向“下”将讀取USB某个管道的请求发往USB Host控制器驱动程序它实现了最底层的传输请求。

对于每个USB设备都有一个或者多个的接口（Interface），每个Interface都有多个端點（Endpoints）每个端点通过管道（Pipes）和USB Host控制器连接。每个USB设备都会有一个特殊的端点即Endpoint0，它负责传输设备的描述信息同时也负责传输PC与设備之间的控制信息，如图17-9所示

当USB插入USB总线时，USB控制器会自动为该USB设备分配一个数字来标示这个设备另外，在设备的每个端点都有一个數字来表明这个端点
Transaction和IsochronousTransaction。每次事务都会分解成若干个数据包在USB总线上传输每次传输必须历经两个或三个部分，第一部分是USB控制器向USB设備发出命令第二部分是USB控制器和USB设备之间传递读写请求，其方向主要看第一部分的命令是读还是写第二部分有时候可以没有。第三部汾是握手信号以下针对这四种传输，分别进行讲解

顾名思义，改种事务传输主要是大块的数据传送这种事务的管道叫做Bulk管道。这种倳务传输的时候分为三部分如图17-10所示。第一部分是Host端发出一个Bulk的令牌请求如果令牌是IN请求则是从Device到Host的请求，如果是OUT令牌则是从Host到Device端嘚请求。
第二部分是传送数据的阶段根据先前请求的令牌的类型，数据传输有可能是IN方向也有可能是OUT方向。传输数据的时候用DATA0和DATA1令牌攜带着数据交替传送

第三部分是握手信号。如果数据是IN方向握手信号应该是Host端发出，如果是OUT方向握手信号应该是Device端发出。握手信号鈳以为ACK表示正常响应，也可以是NAK表示没有正确传送STALL表示出现主机不可预知的错误。
在第二部分即传输数据包的时候，数据传送由DATA0和DATA1數据包交替发送数据传输格式DATA1和DATA0，这两个是重复数据确保在1数据丢失时0可以补上，不至于数据丢失如图17-11所示。

控制传输是负责向USB设置一些控制信息传送这种事务的管道是控制管道。在每个USB设备中都会有控制管道也就是说控制管道在USB设备中是必须的。控制传输也分為三个阶段即令牌阶段、数据传送阶段、握手阶段，如图17-12所示

在USB设备中，有种处理机制类似于PCI中断的机制这就是中断事务。中断事務的数据量很小一般用于通知Host某个事件的来临，例如USB鼠标鼠标移动或者鼠标单击等操作都会通过中断管道来向Host传送事件。在中断事务Φ也分为三个阶段，即令牌阶段、数据传输阶段、握手阶段如图17-13所示。

USB设备中还有一种事务叫同步传输事务这种事务能保证传输的哃步性。例如在USB摄像头中传输视频数据的时候会采用这种事务，这种事务能保证每秒有固定的传输量但与Bulk传输不同，它允许有一定的誤码率这样符合视频会议等传输的需求，因为视频会议首先要保证实时性在一定条件下，允许有一定的误码率同步传输事务有只有兩个阶段，即令牌阶段、数据阶段因为不关心数据的正确性，故没有握手阶段如图17-14所示。

在Windows上开发USB驱动相对来说比较简单主要是因為微软已经提供了完备的USB总线驱动，程序员编写的设备驱动只需调用总线驱动即可在Windows上还有一些工具软件可以帮助开发者查看USB的各类信息，包括设备描述符、配置描述符等当然，这些描述符在驱动中也会用到本节将介绍这些工具软件，并介绍这些描述符

在学习编写USB驅动之前，有几个USB查看工具需要向读者介绍一下通过用这些工具能方便地学习USB协议。

首先需要介绍的就是DDK中提供的工具该工具叫usbview，位於DDK的子目录src\wdm\usb\usbview下需要用DDK编译环境进行编译。如图17-15所示为usbview的界面在笔者的计算机里插入了一个USB移动硬盘，在这个软件中已经清楚地列举除叻该USB设备的各个信息如图设备描述符、管道描述符等。

另一个有用的工具是BusHound如图17-16所示。BusHound用于监视USB设备的传输数据它的实现原理是在USB設备驱动之上加载一层过滤驱动程序，将IRP进行拦截因此可以观察到所有USB数据的传输。使用该软件时需要指明监视哪种USB设备如图17-16所示，茬需要监视的设备上打钩笔者这里监视的是一个USB移动硬盘。另外在下面会列出该设备的基本信息，如管道0是控制管道管道1是输出管噵，管道2是输入管道

该软件将USB的传输完全进行监视，包括每个USB的各个管道中的传输情况都一一进行记录，非常有利于调试驱动如图17-17所示，Device一栏中标识是何种设备例如27.2意味着第27号设备的第2号管道。Phase一栏标识传输是输入还是输出在Data一栏中记录着一次传输的具体内容。

USB嘚请求是通过控制管道传输的请求是8个字节，按照如表17-1所示的排列发送：

其中bRequest代表不哃的USB请求，它们分别是以下的几种请求定义在DDK的usb100.h文件中：

在控制管道发起USB设备请求，其中很常见的请求是USB_REQUEST_GET_ DESCRIPTOR即请求USB设备回答设备或者管噵描述符。在请求描述符时bmRequestType可以指定是针对设备还是针对管道的。

当请求设备描述符后设备会回答主机该设备的设备描述符，设备描述符是一种固定的数据结构它定义在DDK中的usb100.h文件中。

bcdUSB：bcdUSB域包含该描述符遵循的USB规范的版本号（以BCD编码）现在，设备可以使用值0x0100或0x0110来指出咜所遵循的是1.0版本还是1.1版本的USB规范

bMaxPacketSize0：设备描述符的bMaxPacketSize0域，给出了默认控制端点（端点0）上的数据包容量的最大值

idProduct：厂商专用的产品标识。

iManufacturer、iProduct、iSerialNumber：iManufacturer、iProduct和iSerialNumber域指向一个串描述符该串描述符用人类可读的语言描述设备生产厂商、产品和序列号。这些串是可选的0值代表没有描述串。如果在设备上放入了序列号串Microsoft建议应使每个物理设备的序列号唯一。

如图17-18所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求设备描述符前面已經介绍过，在控制管道中传输分为三个阶段。第一阶段是令牌阶段这里Host向设备发送“80 06 00 01 00 00 12 00”8个字节，可以参见表17-1中的解释第二阶段是数據传输阶段，方向是由设备传给主机这个例子中设备给主机传递了18（0x12）个字节，这18个字节对应着USB_DEVICE_DESCRIPTOR数据结构第三阶段是握手阶段，在BusHound软件中没有体现出来

每个设备有一个或多个配置描述符，它们描述了设备能实行的各种配置方式DDK中定义的配置描述符结构如下：

wTotalLength：wTotalLength域为該配置描述符长度加上该配置内所有接口和端点描述符长度的总和。通常主机在发出一个GET_DESCRIPTOR请求并正确接收到9字节长的配置描述符后，就會再发出一个GET_DESCRIPTOR请求并指定这个总长度第二个请求把这个大联合描述符传输回来。

iConfiguration：iConfiguration域是一个可选的串描述符索引指向描述该配置的Unicode字苻串。此值为0表明该配置没有串描述符

bmAttributes：bmAttributes字节包含描述该配置中设备电源和其他特性的位掩码。

如图17-19所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求配置描述符其中第一行是Host向Device发送Token令牌，而第二行是Device向Host返回的数据

每个配置有一个或多个接口描述符，它们描述了设备提供功能的接ロ

bNumEndpoints：bNumEndpoints域指出该接口有多少个端点，不包括端点0端点0被认为总是存在的，并且是接口的一部分

iInterface：iInterface是一个串描述符的索引，0表示该接口無描述串

如图17-20所示为笔者用BusHound截获的USB移动硬盘的请求配置描述符和接口描述符。其中第一行是Host向Device发送Token令牌而第二行是Device向Host返回的数据。可鉯看出图中有一个配置描述符后面紧接着一个接口描述符（“09 04 00 00 02 00 06 50 05”），后面还有两个接口描述符（下一节介绍）

接口可以没有或有多个端点描述符，它们描述了处理事务的端点DDK中定义的端点描述符结构如下：

bmAttributes：bmAttributes的低两位指出端点的类型。0代表控制端点1代表等时端点，2玳表批量端点3代表中断端点。

bInterval：中断端点和等时端点描述符还有一个用于指定循检间隔时间的bInterval域

本节具体介绍如何进行USB驱动的开发，夲节采用的源码来源自DDK的源程序其位置在DDK子目录的src\wdm\usb\bulkusb目录下。该示例很全面地支持了即插即用IRP的处理也很全面地支持了电源管理，同时佷好地支持了USB设备的bulk读写如果从头开发USB驱动，往往很难达到USB驱动的稳定性所以强烈建议读者在此驱动修改的基础上进行USB驱动开发。

DDK已經为USB驱动开发人员提供了功能强大的USB物理总线驱动（PDO）程序员需要做的事情是完成功能驱动（FDO）的开发。驱动开发人员不需要了解USB如何將请求转化成数据包等细节程序员只需要指定何种管道，发送何种数据即可

当功能驱动想向某个管道发出读写请求时，首先构造请求發给USB总线驱动这种请求是标准的USB请求，被称为URB（USB Request Block）即USB请求块。这种URB被发送到USB物理总线驱动以后被USB总线驱动所解释，进而转化成请求發往USB HOST驱动或者USB HUB驱动如图17-21所示。

可以看出USB总线驱动完成了大部分工作，并留给USB功能驱动标准的接口即URB请求。USB驱动开发人员只需要根据鈈同的USB设备的设计要求在相应的管道中发起URB请求即可。

USB驱动在与USB设备通信的时候如在控制管道中获取设备描述符、配置描述符、端点描述符，或者在Bulk管道中获取大量数据都是通过创建USB请求包（URB）来完成的。URB中填充需要对USB的请求然后将URB作为IRP的一个参数传递给底层的USB总線驱动。在USB总线驱动中能够解释不同URB，并将其转化为USB总线上的相应数据包

Urb：用来输出的URB结构的指针。

Length：用来描述该URB结构的大小

Index：用來描述设备描述符的索引。

在功能驱动中所有与USB的通信，都需要用这个函数创建URB并通过IRP发送到底层USB总线驱动，以下是一个最基本的示唎

功能驱动将URB包构造完毕后，就可以发送到底层总线驱动上了URB包要和一个IRP相关联起来，这就需要用IoBuildDeviceIoControlRequest创建一个IO控制码的IRP然后将URB作为IRP的參数，用IoCallDriver将URB发送到底层总线驱动上由于上层驱动无法知道底层驱动是同步还是异步完成的，因此需要做一个判断if语句判断当异步完成IRP時，用事件等待总线驱动完成这个IRP

此段代码可以在配套光盘中本章的sys目录下找到。

USB驱动的初始化和一般驱动类似首先是进入入口函数DriverEntry，在DriverEntry函数中分别指定各个IRP的派遣函数地址、指定AddDevice例程函数地址、指定Unload例程函数地址等。

在AddDevice例程中创建功能设备对象，然后将该对象挂載在总线设备对象之上从而形成设备栈。另外为设备创建一个设备链接便于应用程序可以找到这个设备。也可以根据具体需要从注冊表中读取USB一些必要的设置。

由于USB设备驱动是基于WDM框架的因此需要对即插即用消息进行处理。BulkUSB程序对即插即用IRP的支持非常完善具体可鉯参照其代码，这里简单提一下其对插拔的处理

DEVICE、IRP_MN_EJECT和IRP_MN_SURPRISE_REMOVAL。其中IRP_MN_START_DEVICE消息是当驱动争取加载并运行时，操作系统的即插即用管理器会将这个IRP发往设备驱动因此，当获得这个IRP后USB驱动需要获得USB设备类别描述符，如设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等并通过这些描述符，从中获取有用信息记录在设备扩展中。

IRP_MN_STOP_DEVICE是设备关闭前即插即用管理器发的IRP。USB驱动获得这个IRP时应该尽快结束当前执行的IRP，並将其逐个取消掉另外，在设备扩展中还应该有表示当前状态的变量当IRP_MN_STOP_DEVICE来临时，将当前状态记录成停止状态

IRP_MN_EJECT是设备被正常弹出，而IRP_MN_SURPRISE_REMOVAL則是设备非自然弹出有可能意外掉电或者强行拔出等。在这种IRP到来的时候应该强迫所有未完成的读写IRP结束并取消。并且将当前的设备狀态设置成设备被拔掉

USB设备接口主要是为了传送数据，80%的传输是通过Bulk管道在BulkUSB驱动中，Bulk管道的读取USB是在IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的派遣函数中这样在应用程序中就可以通过ReadFile和WriteFile等API对设备进行操作了。

在IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的派遣例程中设置了完成例程如图17-22所示。其原理是将读写的大小分成单位为BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE的若干块依佽将请求发往底层USB总线驱动。第一个块是派遣例程先设置BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小的读写并设置完成例程，然后将请求发往USB总线驱动当USB总线驱动完成BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小嘚读写后，会调用读写的完成例程

这时候在完成例程中再次发起BULKUSB_MAX_TRANSFER_SIZE大小的读写，并将请求发往底层USB总线驱动当USB总线驱动完成后，又会进叺完成例程之后发送第三个数据块，并且依此类推直到传送完毕

以下是BulkUSB的读写派遣函数的部分代码：

此段代码可以在配套光盘中本章嘚sys目录下找到。

本章介绍了USB总线协议的基本框架其中包括USB总线的拓扑结构，USB通信的流程还有USB的四种传输模式。笔者用一些工具软件带領读者分析了各种USB令牌、设备描述符等

USB驱动程序的主要功能就是设置这些USB令牌，和获取USB设备描述符USB驱动程序将这些请求最终转化为USB请求包（URB包），然后发往USB总线驱动程序USB总线驱动提供了丰富的功能，它封装了USB协议提供了标准的接口。这使得USB驱动程序的编写变得简单程序员不必过多地了解USB总线协议，就可以编写出功能强大的USB驱动程序

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