[转]WinCE USB驱动开发 错走冤枉路

【IT168 专稿】随着USB2.0设备的不断增加，USB设备驱动开发在嵌入式开发中变的越来越重要。Windows CE支持USB 2.0更是对这一波新技术浪潮产生巨大的推动。近期我负责一个这样的项目，在WinCE下开发USB接口的外围设备驱动。当时做这个项目花费了我相当多的 时间和精力，错走许多冤枉路使我精疲力尽。

  项目需求是在已调好的ARM9板子上开发USB WiFi无线网卡的驱动程序，具体要求是驱动程序平台是WinCE，CPU类型支持ARM构架，要能比较方便地移植到X86；驱动接口类型是USB2.0 和Wlan 802.11b。后来因为连接效率一直有问题，就东改西改，最后改的是一塌糊涂。幸好老板比较宽容，给了我充裕的时间和支持，这里将关于USB驱动开发的 点滴理解与大家分享。

1. 什么是WinCE设备驱动程序？

  （1）从驱动加载方式来区分
  在深入探讨Windows CE所支持的外围设备驱动程序之前，先了解在WinCE平台上使用的两种设备：内建设备和可安装设备。因此，从驱动加载方式来看WinCE可分为本机设备 驱动（Built-In Driver）、可加载驱动（Loadable Driver）以及混合型驱动。

  ①本机设备驱动
  本机设备驱动即Native Device Drivers。WinCE设计成可直接使用内建设备，这些设备由本机驱动过程控制，而本机驱动程序又与WinCE的核心组件紧密相连。这些驱动对应的设 备通常在系统启动时，在GWES的进程空间内被加载，因此它们不是以独立的DLL形式存在,也因此要求每一个本机驱动程序都必须与称为设备驱动程序接口 (DDI)的特定接口一致。

  本机设备是指整合进平台的设备，其中包括显示、触摸面板、音频、串行埠、LED、电池和PC卡插座等。如果没有这些本机设备整个系统就不能和用户信息交 流，例如触摸面板和显示等。本机驱动程序一般设计为动态链接库，但有两个例外：电池和LED驱动程序由于小而设计为静态库(当建立CE图像时与GWES模 块链接)。这些设备相应的驱动程序是在WinCE平台开发过程中由OEM开发的，它们储存在ROM或闪存内。通常只有OEM才会对本机设备驱动程序进行修 改，其它自由设备生产商只提供附加的硬件设备，对本机设备驱动程序不会有过多涉及。

  ②可加载设备驱动
  可加载设备是指可与平台连接和分离的第三方接口设备，可由用户随时安装和卸载。这种外围设备的驱动也被称为流驱动，这些驱动可以在系统启动时或者和启动后 的任何时候由设备管理器动态加载。通常这类驱动是以DLL动态链接库的形式存在，系统加载后这些驱动程序也只是以用户态的角色运行。可加载驱动程序是通过 文件操作API来从设备管理器和应用程序获得命令。在WinCE典型的可加载驱动有：PCMCIA driver（PCMCIA.dll）、Serial driver（SERIAL.dll）、ATAFLASH driver（ATA.dll）、Ethernet driver（NE2000.dll，SMSC100FD.dll）。

  与本机驱动程序不同的是，所有可加载流驱动程序都共享一个公用接口。该接口由每个驱动程序内的10个功能或记录点组成，这些功能与应用程序所用的文件 API中的功能匹配。因此，控制可加载设备的流接口驱动程序一般由应用程序存取，流接口驱动程序由一个特殊文件来将设备功能展现给应用程序的，该文件可被 打开、读取、写入和关闭。例如，用户将一个GPS设备与平台相连后，就可启动有GPS功能的应用程序来存取并使用该设备。WinCE是使用已有的API来 让应用程序存取这些驱动程序，而不是建立新的API。

  （2）从驱动程序层次上分类
  一般可以分为独立驱动和层次型驱动两类。独立驱动程序是指将驱动程序编写成同时包含Model Device Driver（MDD）和Platform Dependent Driver（PDD）层的独立驱动。使用独立驱动的好处在于可以省去MDD和PDD层驱动之间的信息传递，这一点在实时处理中非常重要。独立驱动的代码 包括中断服务例程和平台相关处理函数。另外，如果设备的操作和MDD驱动层的接口描述相吻合，用独立驱动程序可以提高处理性能。

  层次型驱动是指分为两层，较上层的MDD和比较下层的PDD。MDD实现的是和平台无关的功能，它描述了一个通用的驱动程序框架；而PDD是和硬件以及平 台相关的代码组成。MDD调用PDD中特定的接口来获取硬件相关的信息。当使用层次型驱动的时候，一般只需要基于相近的样列驱动程序，针对特定的硬件只修 改PDD程序，MDD建立的框架可继续使用。但由于层次间接口的层层调用以及消息的传递，使得处理速度相对于独立驱动程序要慢。因此，在嵌入式实时要求苛 刻的环境下，层次型驱动显得不是很适合。

  简单的说，独立驱动是把PDD与MDD写在一起，没有做严格的区分，通常这种驱动比较简单，比如ATADISK。至于本机驱动和加载式流驱动是从驱动与系 统其它模块(调用者)的接口形式上做的分类。所以，一个加载式驱动程序可以是独立的流式驱动，例如ATADISK；也可以是分层的流式驱动，例如 OHCI。也就是说，独立和分层是驱动实现方式上的分类，而本机和加载流式则是驱动模型上的分类。所谓本机驱动就是操作系统有保留专门的接口，而加载流式 驱动是指编写DLL文件导出各种流式接口函数的接口。

 

2. USB加载式流接口驱动要点分析

  为了支持不同类型的外围设备，WinCE平台提供了具有定制接口的流接口驱动程序模型。因为大部分USB外围设备由于功能性更适合流接口驱动的结构，所以一般都采用加载式流接口驱动程序模型来开发USB设备驱动程序。

  （1）USB系统结构分析
  WinCE下USB系统软件由两层组成：较高USB设备驱动程序层和较低的USB函数层。较低的USB函数层本身又由两部分组成：较高的通用串行总线驱动 程序（USBD）模块和较低的主控制器驱动程序（HCD）模块。通过HCD模块功能和USBD模块实现高层的USBD接口函数，USB设备驱动程序就能与 外围设备进行通讯。

  在数据传输的过程中，操作流程通常按下列的次序进行：①USB设备驱动程序进行数据传输的初始化，即通过USBD接口函数给USBD模块发送数据传输的请 求。②USBD模块将该请求分成一些单独的事务。③HCD模块排出事务次序。④主控制器硬件执行事务。这里需要提醒的是，所有的事务都是从主机发出的，外 围设备完全是被动接受型的。

  （2）USB设备驱动程序入口点函数
  从结构分析我们可知，所有的USB设备驱动程序必须在它们的DLL库设置一定的入口点与USBD模块进行适当的交互。设置入口点函数有两个作用：一是使得 USBD 模块能与外部设备交互；二是使得驱动程序能创建和管理任何可能需要的注册键。

  下面简要介绍相关函数的作用：USBDeviceAttach是当 USB 设备连接到主计算机时运行，USBD模块会调用这个函数初始化USB设备，取得USB设备信息和配置USB设备，并且申请必需的资源。 USBInstallDrive是在第一次加载USB设备驱动程序时首先被调用，它使得驱动程序能创建需要的注册键，用于将一个驱动程序所需的注册表信息 写入到HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\USB\ClientDrivers目录下，例如设备名称等。需要注意的是，USB设备驱 动程序不使用标准的注册表函数，而是使用RegisterClientDriverID()、RegisterClientSettings()函数来注 册相应的设备信息。

  USBUninstallDriver是在用户删除USB设备驱动程序时调用，负责删除注册键并释放其它相关资源。它通过调用 UnRegisterClientSettings()和UnRegisterClientDriverID()函数来删除由驱动程序的 USBInstallDriver()函数创建的所有注册键。因此，我们在驱动程序中就需要严格按照这三个函数的原型来实现，否则就不能为设备管理器所识 别。
 

3．USB设备流接口驱动的实现步骤

  从WinCE USB设备驱动模型及结构分析中，我们可以清晰的看到主机和外设之间的实现方式。在主机端，通过USBD模块和HCD模块使用默认的PIPE访问一个通用 的逻辑设备，实际上就是说USBD和HCD是一组访问所有USB设备的逻辑接口，它们负责管理所有USB设备的连接、加载、移除、数据传输和通用配置。其 中HCD是主机控制驱动，是为USBD提供底层的功能访问服务，USBD是USB总线驱动，位于HCD的上层，利用HCD的服务提供较高层次的功能。因 此，实现USB加载流驱动程序大致需要完成以下步骤：

  （1）选择代表设备的文件名前缀。前缀非常重要，设备管理器在注册表中通过前缀来识别设备。同时，在流接口命名时也将这个前缀作为入口点函数的前缀，如果设备前缀为XXX，那么流接口对应为XXX_Close，XXX_Init等。

  （2）设置驱动的各个入口点函数。所谓入口点是指提供给设备管理器的标准文件I/O接口。在生成一个DLL后，就用设备文件名前缀替换名字中的XXX。因 此，每个加载式流接口驱动程序必须实现XXX_Init()、XXX_IOControl()以及XXX_PowerUp()等一组标准的函数，用来完成 标准的文件I/O函数和电源管理等。

  （3）建立.DEF文件。当设备管理器初始化USB设备编译出来的流接口函数后，还必须建立一个.def文件。DEF文件定义了DLL要导出的接口集，而 且加载式流驱动大多是以DLL形式存在的，所以应将DLL和DEF的文件名统一起来。DEF文件告诉链接程序需要输出什么样的函数，最后将驱动程序编译到 内核中去，这样这个USB设备流接口驱动程序就可以被应用程序调用。

  （4）在注册表中为驱动程序建立表项。在注册表中建立驱动程序入口点，这样设备管理器才能识别和管理这个驱动。此外，注册表中还能存储额外的信息，这些信息可以在驱动运行之后被使用到。

  在这次USB驱动开发过程中，错走许多冤枉路使我叫苦连天。我感受最深的是由于WinCE提供了通用串行总线驱动程序（USBD）模块、USBD接口函数 全集、样本主机控制器驱动程序（HCD）模块。所以，我们只需要根据USB设备硬件特性，利用USBD提供的不同函数，实现流接口函数与外围设备的交互。 在没有特别的情况下，我最大的收获经验是把这些公用的源程序照搬过来，能极大的缩短开发周期，从而能更快速地进行嵌入式开发。