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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,*,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,2024/12/11,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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,2024/12/11,2,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB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),2024/12/11,3,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB編碼,USB接口針腳結(jié)構(gòu)：,同步時鐘+數(shù)據(jù)：,采用了,NRZI(Non

2、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,2024/12/11,4,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,包(Package),包的格式：令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包,用7個0和1個1作為同步序列,2024/12/11,5,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB傳輸事務(wù)(Transaction),每個傳輸事務(wù)由三個包組成。,2024/12/11,6,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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,2024/12/11,7,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),由于有許多設(shè)備都接到了USB

3、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,2024/12/11,8,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB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,2024/12/11,9,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB協(xié)議簡介,USB協(xié)議：,USB采用輪詢的廣播機制傳輸數(shù)據(jù)

4、,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。,2024/12/11,10,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB外設(shè)與總線,PC機上USB接口設(shè)備的連接拓撲結(jié)構(gòu),2024/12/11,11,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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),2024/12/11,12,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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),：

5、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控制器,將,IRP,譯碼成USB協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB總線上；,2024/12/11,13,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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）,2024/12/11,14,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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

6、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)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）,2024/12/11,15,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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

7、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,2024/12/11,16,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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；,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,2024/12/11,17,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB驅(qū)動程序

8、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 File）,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。,2024/12/11,

9、18,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,IRP_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；,2024/12/11,19,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,IRP_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U

10、RB請求；,2024/12/11,20,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,PNP即插即用管理器,PNP管理器概述以及相關(guān)組件,即插即用IRP,PNP管理器在USB驅(qū)動程序的操作,2024/12/11,21,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,PNP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。,2024/12/11,22,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)uplo

11、ad,PNP即插即用管理器相關(guān)組件,即插即用管理程序（用戶模式）,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,2024/12/11,23,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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：,2024/12/11,24,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,子功能代碼,描述,IRP_MN_START_DEVICE,配置并初始化設(shè)

12、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_DEVICE,忽略以前的QIERY_REMOVE,IRP_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_STOP,IRP_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_CAPABI

13、LITIES,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_TEXT,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,2024/12/11,25,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,PNP管理器對USB總線的管理,2024/12/11,26,USB驅(qū)動編程培

14、訓(xùn)upload,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)：,2024/12/11,27,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,2024/12/11,28,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,USB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

15、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IRP,2024/12/11,29,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,WDM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。,2024/12/11,30,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)

16、upload,電源狀態(tài)分以下六個狀態(tài)：,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,2024/12/11,31,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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。,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,2024/12/11,32,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,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IRP,2024/12/11,33,USB驅(qū)動編程培訓(xùn)upload,用戶模式的USB