Windows USB功能驅動開發總結

最近做了一個USB裝置的功能驅動，並對其速度的瓶頸做了一些分析，最後找到了影響此裝置的速度的主要原因。由於USB裝置的通用性，代碼的主體直接使用DDK提供的範例程式碼：Bluckusb。
1、 USB驅動結構圖
 

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圖表 1：USB裝置階層

    USB主控制器與其它I/O裝置一樣直接連接到系統匯流排上。作業系統與主控制器通訊使用I/O口或記憶體寄存器，通過普通的中斷訊號，系統可以接受主控制器的事件通知。主控制器串連一棵USB裝置樹。一種稱為hub的裝置作為其它裝置的連接點。多個hub能以菊鏈方式串連，可以串連到USB規範中定義的最大深度。其它裝置，如照相機、麥克風、鍵盤等等，直接連到hub上。為了精確地表達概念，USB使用術語function來描述非hub裝置。

2、 寫USB功能驅動需要瞭解的內容

a.  驅動編譯方法
各種入門書上都有介紹，用DDK的Dos環境編譯時間，錯誤資訊會在Dos介面顯示，如果這些資訊不能定位問題，可以到代碼目錄下找名字為buildxx的log檔案。
b.  驅動與裝置的關聯
驅動與裝置的關聯是靠INF檔案來指定的。簡單來說只要把DDK中提供的USB驅動樣本中的INF檔案中的VID_XXXX和PID_XXXX中的XXXX換成自己裝置的VID和PID值，[SourceDisksFiles]節中BULKUSB.sys 換成自己的驅動檔案名稱就可以使驅動和裝置關聯。更多INF檔案介紹可以參考相關介紹文檔。
c.  裝置自訂的命令
自訂的裝置，一般都會自訂一些控制命令，在寫驅動時，需要瞭解這些命令的作用，在調試時方便定位問題所在。
此處需要把IoControl命令和裝置命令區分開，IoControl命令是應用程式與驅動進行互動的命令，IoControl命令的產生與裝置沒有直接關係，可以隨意設定只要不與驅動的標準命令發生衝突就可以；裝置命令是在令牌階段使用，也即Setup包，裝置命令由硬體設計者要定義，裝置命令是主機和裝置通訊的第一步。

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圖表 2：SETUP令牌的內容

d.  USB驅動與裝置互動的方式
Windows中通過發送URB和USB裝置進行通訊備，各種函數代碼中的核心是構造URB，發送URB，Setup包（令牌包）中的資訊也被包含在URB中。為了方便構造URB，DDK提供了一組宏函數，使用宏函數可以很方便構造不同類型的URB，構造Setup包的宏為UsbBuildVendorRequest ，其中index，value，request在硬體中會用到。

3、 正確讀寫資料的關鍵點

    USB裝置讀寫主要由是通過端點來進行，一個端點的資料流方向只能有一個IN或者OUT。端點存在於介面中，介面由配置時取得，配置主要在IRP_MJ_CREATE的Dispatch函數裡執行。配置、介面與端點的關係如所示。在DDK提供的Bulkusb的代碼中，PipeInfomation設定有問題，用fileObject儲存pipe handle沒有道理，需要改成用deviceExtension來儲存；UsbInterfaces中，Pipes數組至少有兩個元素，一個是寫資料時用的Handle，一個是讀資料時用的Handle，在我的裝置中Pipes[0]寫，Pipes[1]寫。

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圖表 3：USB裝置的配置、介面、端點

4、 調試驅動的工具

    查看列印資訊，需要用DbgView；要跟蹤驅動代碼用Windbg，串口線進行雙機調試，調試前需要下載被調試機的符號檔案；測試並且查看USB讀寫資料，用Bus Hound，USBlyzer配合使用；驅動代碼編輯用Source Insight；代碼編譯直接用DDK提供的編譯環境即可。