USB驅(qū)動編程培訓(xùn)

1、USB驅(qū)動編程2022/9/41簡介 USB編碼以及總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)USB數(shù)據(jù)流模型USB的PNP管理USB的電源管理USB數(shù)據(jù)包與應(yīng)用程序2022/9/42USB編碼以及總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)USB編碼USB總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包傳輸事務(wù)幀結(jié)構(gòu)2022/9/43USB編碼USB接口針腳結(jié)構(gòu)：同步時鐘+數(shù)據(jù)：采用了NRZI(Non Return to Zero Invert)反向非歸零編碼；既能保證數(shù)據(jù)傳送的完整，也不需要獨立的時鐘信號2022/9/44包(Package)包的格式：令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包2022/9/45用7個0和1個1作為同步序列USB傳輸事務(wù)(Transaction)2022/9/46每個傳輸

2、事務(wù)由三個包組成。幀結(jié)構(gòu)(Frame)每個幀內(nèi)數(shù)據(jù)由傳輸事務(wù)組合組成2022/9/47USB總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由于有許多設(shè)備都接到了USB上，因此每1ms產(chǎn)生的傳輸幀是混合的。其中中斷傳輸(Interrupt)和同步傳輸(Isochronous)對時間要求高，因此占用了約90的總帶寬，控制傳輸(Control)占用了約10的帶寬，而批量傳輸(Bulk)則使用剩下的可用帶寬2022/9/48USB數(shù)據(jù)流模型USB協(xié)議簡介USB外設(shè)與總線數(shù)據(jù)流模型模型整體框架參與通信抽象對象實際數(shù)據(jù)流向驅(qū)動程序與系統(tǒng)內(nèi)核之間的關(guān)系USB驅(qū)動例程中的一些回調(diào)接口2022/9/49USB協(xié)議簡介USB協(xié)議：USB采用輪詢的

3、廣播機制傳輸數(shù)據(jù),即“令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包”；根據(jù)包標(biāo)識符PID字段，用于識別數(shù)據(jù)包類型；字段-包-傳輸事務(wù)-幀；不同傳輸模式是通過相應(yīng)的傳輸事務(wù)序列下實現(xiàn)的。2022/9/410USB外設(shè)與總線2022/9/411PC機上USB接口設(shè)備的連接拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流模型USB必須分層理解：用戶應(yīng)用程序；IO管理器層；驅(qū)動程序；硬件抽象層(HAL)；硬件外設(shè)2022/9/412模型整體框架客戶軟件：對設(shè)備功能進行操作軟件，它是針對 物理設(shè)備功能開發(fā)的。USB系統(tǒng)：它包括操作系統(tǒng)對USB支持,USB控制器總線驅(qū)動，既占硬件也占軟件，好比一個翻譯。USB設(shè)備驅(qū)動：客戶端軟件與USB系統(tǒng)的之間的接口。USB

4、控制器將IRP譯碼成USB協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB總線上；2022/9/413參與通信的抽象對象通道(pipe)：就是主機與設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的模型共有兩種類型的管道：無格式的流管道（Stream Pipe）和有格式的信息管道（Message Pipe）2022/9/414參與通信的抽象對象邏輯設(shè)備(device)：驅(qū)動程序?qū)?yīng)硬件實際功能暴露給操作系統(tǒng)內(nèi)核接口的抽象對象；每個設(shè)備都有一個默認的控制端點。配置(Configuration)：用于設(shè)置一些結(jié)構(gòu)來設(shè)定設(shè)備功能接口。接口(Interface)：邏輯設(shè)備中功能相近相同的一些端點的集合。端點(EndPonit):位于USB設(shè)備或主機上的一個數(shù)

5、據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）2022/9/415實際數(shù)據(jù)流如右圖所示： 客戶軟件通過USB設(shè)備驅(qū)動(USBD)發(fā)送IRQ請求請求傳送數(shù)據(jù)； 主機控制器驅(qū)動(HCD)將接收IRQ請求解析成USB傳輸和傳輸事務(wù)。主機控制器將這些USB傳輸和傳輸事務(wù)打包成USB協(xié)議數(shù)據(jù)包通過USB總線傳輸給USB設(shè)備交互2022/9/416驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)之間的關(guān)系USB總線的設(shè)備也屬于即插即用設(shè)備，由上一小節(jié)可知，USB驅(qū)動程序主要還是通過IRP包進行數(shù)據(jù)交換，操作系統(tǒng)主要就是通過PNP管理器與IO管理器

6、與以及部分內(nèi)核對USB驅(qū)動程序的中斷，內(nèi)存資源進行管理；2022/9/417操作系統(tǒng)用戶模式IO管理器即插即用PNP管理器操作系統(tǒng)內(nèi)核USB驅(qū)動程序硬件抽象層USB硬件設(shè)備USB驅(qū)動程序一些例程函數(shù)接口在USB驅(qū)動程序入口例程DriverEntry中，DRVER_OBJECT對象專門在majorFuction數(shù)組預(yù)留以下接口處理相對應(yīng)的IRP：IRP_MJ_CREATE 以文件形式打開設(shè)備準(zhǔn)備讀寫,調(diào)用其做準(zhǔn)備；IRP_MJ_CLOSE 當(dāng)前用戶關(guān)閉文件（closeHandle）時，調(diào)用它清掃系統(tǒng)；IRP_MJ_PNP 處理即插即用的操作IRP_MJ_READ 處理讀文件操作（Read Fil

7、e）IRP_MJ_WRITE 處理寫文件操作（Write File）IRP_MJ_DEVICE_CONTROL 處理來之硬件對操作系統(tǒng)的IO控制碼。2022/9/418IRP_MJ_CREAT以文件形式打開設(shè)備，檢查設(shè)備狀態(tài)，是否正常工作；取消設(shè)備掛起，打開管道，并將此管道與文件的變量相關(guān)聯(lián)；OpenHandleCount內(nèi)核對象計數(shù)加一；這是creafile相關(guān)聯(lián)的；2022/9/419IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE單獨一個例程完成他們：初始化URB，并判斷通道工作方式，并從文件中獲取管道信息。檢查IRP的MDL（a memory descriptor list）,根據(jù)讀寫

8、變量設(shè)置URB標(biāo)志位。根據(jù)MDL開辟內(nèi)存，上層用戶模式數(shù)據(jù)映像，構(gòu)造URB請求；2022/9/420PNP即插即用管理器PNP管理器概述以及相關(guān)組件即插即用IRPPNP管理器在USB驅(qū)動程序的操作2022/9/421PNP管理器概述什么是PNP管理器呢？PNP plug and play 即插即用設(shè)備管理，其主要有以下四個作用：操作系統(tǒng)能檢測新設(shè)備插入，也能檢測得到設(shè)備的拔出；如果總線接口允許，設(shè)備可以實現(xiàn)熱插拔，并保證操作系統(tǒng)正常工作；設(shè)備允許軟件配置。操作系統(tǒng)應(yīng)該知道哪些是正確的驅(qū)動程序，并智能地加載。2022/9/422PNP即插即用管理器相關(guān)組件2022/9/423即插即用管理程序（用

9、戶模式）用戶模式內(nèi)核模式注冊表 IO管理器執(zhí)行體即插即用管理程序電源管理程序設(shè)備wdm驅(qū)動程序總線驅(qū)動程序硬件抽象層HAL即插即用IRP即插即用IRP（IRP_MJ_PNP）：由即插即用管理器發(fā)送給設(shè)備驅(qū)動程序的；在驅(qū)動對象的主功能函數(shù)內(nèi)有一個回調(diào)派遣函數(shù)用于處理PNP的IRP包；不用的IRP代表不同的功能，如下表所示：2022/9/4242022/9/425子功能代碼描述IRP_MN_START_DEVICE配置并初始化設(shè)備IRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE設(shè)備可以被安全的刪除IRP_MN_REMOVE_DEVICE關(guān)閉并刪除設(shè)備IRP_MN_CANCEL_REMOVE_D

10、EVICE忽略以前的QIERY_REMOVEIRP_MN_STOP_DEVICE關(guān)閉設(shè)備IRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE詢問設(shè)備可以關(guān)閉了嗎IRP_MN_CANCEL_STOP_DEVICE忽略以前的QUERY_STOPIRP_MN_DEVICE_RELATIONS給出指定特征的設(shè)備列表IRP_MN_QUERY_INTERFACE獲得調(diào)用函數(shù)接口地址IRP_MN_CAPABILITIES取得設(shè)備能力IRP_MN_QUERY_RESOURCES取得引導(dǎo)配置IRP_MN_QUERY_RESOURCES_REQUIREMENTS取IO資源需求IRP_MN_QUERY_DEVICE_T

11、EXT獲得描述信息或位置串IRP_MN_QUERY_PNP_DEIVCE_STATE獲取設(shè)備狀態(tài)IRP_MN_QUERY_BUS_INFORMATION*獲取父總線類型IRP_MN_SUPPRISE_REMOVE通知設(shè)備意外被刪除PNP管理器對USB總線的管理2022/9/426 USB驅(qū)動程序在完成即插即拔PNP整過所操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：URP（USB Requst Package）USB請求包，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是通過操作IRP的內(nèi)核函數(shù)傳送直總線驅(qū)動層上。通過操作URP進行對USB設(shè)備熱插拔的枚舉，配置和刪除。通過對URP的PNP管理操作我們可以得到來自硬件數(shù)據(jù)描述，如：設(shè)備描述符，配置描述符，接

12、口描述符，端點描述符。如圖可見這些數(shù)據(jù)的樹狀結(jié)構(gòu)：2022/9/4272022/9/428USB電源管理WDM電源管理模型概述基本概念電源狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)關(guān)于USB電源管理策略USB處理電源管理的基本IRP規(guī)則USB驅(qū)動應(yīng)該響應(yīng)的電源管理器發(fā)出IRP2022/9/429WDM電源管理模型基本概念：電源管理器：為了于減少系統(tǒng)不必要的功耗，基于ACPI(Advanced Configuration Power Interface)規(guī)范作為計算機全局電源策略，操作系統(tǒng)支持一些用戶接口，用戶可以通過這些接口控制最終的電源管理策略。電源管理是操作系統(tǒng)通過處理驅(qū)動程序來實現(xiàn)的。支持PNP的驅(qū)動必須支持電源管

13、理，支持電源管理的驅(qū)動程序必須支持PNP,兩者是被集成而相互依賴。2022/9/430電源狀態(tài)分以下六個狀態(tài)： 2022/9/431系統(tǒng)電源狀態(tài)含義SO(Working)CPU全功率運行S1（Sleeping1）CPU停止,RAM被刷新S2（Sleeping2）CPU不通電，RAM被刷新S3（Sleeping3）CPU不通電，RAM處于低速刷新模式，電源功率輸出降低 S4（Hibemate）系統(tǒng)停止，RAM被保存到磁盤S5（Shutdown)系統(tǒng)停止并關(guān)閉，需要完全引導(dǎo)以恢復(fù)操作設(shè)備電源狀態(tài)： 操作系統(tǒng)不直接處理設(shè)備的電源狀態(tài),而是有驅(qū)動程序?qū)ｉT處理。設(shè)備至少要支持D0與D3。2022/9/4

14、32設(shè)備電源狀態(tài)含義D0設(shè)備全功率運行D1設(shè)備運行于低功耗模式,設(shè)備環(huán)境可能被保留D2設(shè)備運行低功率模式,設(shè)環(huán)境可能無效D3設(shè)備沒有電,環(huán)境丟失關(guān)于USB電源管理策略USB電源管理策略：USB處理電源管理的基本IRP規(guī)則USB驅(qū)動應(yīng)該響應(yīng)的電源管理器發(fā)出IRP2022/9/433用戶模式的USB數(shù)據(jù)讀寫與應(yīng)用程序用戶模式與驅(qū)動包IRP對應(yīng)關(guān)系IRP_MJ_CREATE, IRP_MJ_READ, IRP_MJ_WRITE用戶模式應(yīng)用程序打開設(shè)備用戶模式應(yīng)用程序讀取USB設(shè)備2022/9/434USB設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫用戶模式下API與驅(qū)動程序的IPR對應(yīng)關(guān)系：2022/9/435用戶API函數(shù)IRP

15、說明CreateFileIRP_MJ_CREATE打開設(shè)備ReadFileIRP_MJ_READ從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)WriteFileIRP_MJ_WRITE向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)CloseFileIRP_MJ_CLOSE關(guān)閉設(shè)備DevicControlIRP_MJ_DEVICE_CONTROL控制操作開打設(shè)備首先已知設(shè)備GUID通過調(diào)用SetupDiGetClassDev獲得設(shè)備的信息集；在設(shè)備信息集里調(diào)用SetupDiEnumDeviceInterface識別接口信息；在接口信息中調(diào)用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail獲得設(shè)備路徑名；通過設(shè)備路徑CreateFile打開設(shè)備，

16、此時內(nèi)核對應(yīng)發(fā)出IRP_MJ_CREATE，操作系統(tǒng)自動訪問對應(yīng)驅(qū)動2022/9/436上層應(yīng)用程序讀寫數(shù)據(jù)讀寫數(shù)據(jù)通過驅(qū)動對象的IRP_MJ_READ與IRP_MJ_WRITE功能例程：使用用戶模式的readfile與writefile API調(diào)用驅(qū)動內(nèi)核對象；建立內(nèi)存映像；通過內(nèi)存對齊復(fù)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；還是通過IRP包來獲取數(shù)據(jù)2022/9/437總結(jié)簡要審閱所演示的內(nèi)容確定應(yīng)用培訓(xùn)的方法請求有關(guān)培訓(xùn)單元的反饋2022/9/438更多信息列出其他培訓(xùn)單元列出書籍、文章、電子來源列出咨詢服務(wù)、其他來源2022/9/439USB處理電源管理的基本IRP規(guī)則其最基本規(guī)則要遵循以下幾點：同步操作必

17、須嚴格，PDO只能僅且有一個IRP_MN_QUERY_POWER或者IRP_MN_SET_POWER電源IRP必須一次性處理，不能產(chǎn)生等待事件或者是鎖對象的系統(tǒng)例程;也是需要分層處理，并且只能用特殊對象API接受電源管理器的IRPIRP_MN_QUERY_POWER允許失敗，但是IRP_MN_SET_POWER不能失敗。如果是跟電源相關(guān)的IRP，不能像普通IRP一樣處理，特別在傳輸上。2022/9/440USB驅(qū)動應(yīng)該響應(yīng)的電源管理器發(fā)出IRP在USB驅(qū)動中也是通過處理IRP來實現(xiàn)電源管理：處理電源查詢IRP：IRP_MN_QUERY_POWER查詢是設(shè)備電源，還是系統(tǒng)電源，通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)HandleSy