USB驱动开发
第17章USB设备驱动
USB设备驱动和PCI设备驱动是PC中最主要的两种设备驱动程序。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。然后介绍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总线驱动接口。
17.1  USB总线协议
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。
17.1.1 USB设备简介
USB即通用串行总线（Universal Serial 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（而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，而是计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标准，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，仅用一个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正在取代当前PC上的串口和并口。
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图17-1  USB 的四条传输线
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。通过这种类似菊花链式的连接，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。
它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，已经允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工作。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大型网络或Internet 提供了条件。 17.1.2  USB 连接拓扑结构
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。这个根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，这里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
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图17-2  USB 连接拓扑结构
（2）USB Hub ：每个USB Host 控制器都会自带一个USB Hub ，被称为根(Root)Hub 。这个根Hub 可以接子(Sub)Hub ，每个Hub 上挂载USB 设备。一般PC 有8个USB 口，通过外接USB Hub ，可以插更多的USB 设备。当USB 设备插入到USB Hub 或从上面拔出时，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，并询问用户安装设备驱动。如图17-4所示为一个典型的USB Hub 的示意图。
图17-3  USB Host 和USB Hub 驱动                  图17-4  USB Hub 示意图 （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个设备，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，直接挂载在USB Hub 上。而有的USB 设备功能复杂，
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434 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，其和多个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 的概念对于用户可以看成是透明的。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，例如有的手机连接计算机后，系统会当做多个US
B 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。
图17-5  符合设备                          图17-6  USB 逻辑拓扑结构 但对于具体USB 设备来说，每个USB 设备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 设备是直接连接到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。青春随想作文
图17-7  用户对USB 设备的观察
17.1.3  USB 通信的流程
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

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