基于WINDOWSDDK的USB键盘驱动开发

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【摘要】usb接口具有方便快速等优点，已经发展成为一种比较普遍的计算机与外设的接口。基于微软windows系统DDK，本文介绍了一种非标准USB键盘的windows设备驱动程序的开发过程与方法。

【关键词】设备驱动；驱动开发包；非标准键盘

1.引言

USB总线的成功关键是使用户感到了使用USB设备的方便。即插即用（PnP）概念的使用使某些硬件的安装过程得到了简化。USB规范中指出，适合迁移到USB1.1上的硬件限定于那些低速到中速的外设，包括键盘，鼠标等。即这些设备的数据传输速率低于12Mb/sec，并且能通过单一的PC接口被系统软件识别。现在标准的usb键盘设备只需要遵循一些hid设备的协议就可以被windows操作系统自动识别无需设备制造商开发驱动程序，但有些键盘带有特殊功能，所以需要设备驱动程序。

2.Usb软件系统简介

USB设备对于USB系统来说是一个端点的集合，端点被分成组，一组端点实现一个接口，如图1所示。设备端点和主机软件之间利用管道进行数据交互。设备驱动程序就是通过这些接口和管道与设备进行通信的。

USB数据传输就是指发生在主机软件和USB设备上特定端点（endpoint）之间的数据交互，一个设备可以具有若干管道（pipe）。一般情况下，一个管道中数据传输与其他管道中的数据传输是相互独立的。这种发生在管道中的数据流动共有4种基本类型：

（1）控制传输，一般发生在设备枚举阶段

（2）块传输，一般用于usb disk

（3）中断传输，一般用于键盘鼠标类设备

（4）流传输，一般用于语音视频流设备

USB设备驱动程序都必须使用这些管道和接口来管理设备，而不是直接通过内存或I/O端口来存取来管理。

3.Windows驱动程序的工作原理

3.1 Windows驱动程序基本架构

驱动程序与应用程序的最大差别在于驱动程序的架构。应用程序从头到尾都在main或者winmain函数的控制下执行，驱动程序不存在这样的函数，而只是一个由I/O管理组件根据需要调用的子例程的集合，I/O管理组件根据不同的情况调用驱动程序中不同的例程。构成内核模式驱动程序的主要例程包括：初始化和清除例程，I/O系统服务调度例程，数据传输例程和资源回调例程，下面是一个基本的驱动例程架构：

extern”C”

NTSTATUS

DriverEntry（IN PDRIVER_OBJECT DriverObject，IN PUNICODE_STRING RegistryPath）

{

DriverObject->DriverUnload=Driver Unload；

DriverObject->DriverExtension->AddDevice=AddDevice；

DriverObject->DriverStartIo=StartIo；

DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP]=DispatchPnp；

DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER]=DispatchPower；

DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL]=DispatchWmi；

...

servkey.Buffer=（PWSTR）ExAllocatePool（PagedPool，RegistryPath->Length+sizeof（WCHAR））；

if（！servkey.Buffer）

return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES；

servkey.Maximum Length=Registry Path->Length+sizeof（WCHAR）；

RtlCopyUnicodeString（&servkey，RegistryPath）；

return STATUS_SUCCESS；

}

（1）前三条语句为驱动程序的其它入口点设置了函数指针。在这里，我用了能表达其功能的名字命名了这些函数：DriverUnload、AddDevice、StartIo。

（2）每个WDM驱动程序必须能处理PNP、POWER、SYSTEM_CONTROL这三种请求；应该在这里为这些请求指定派遣函数。在早期的Windows 2000 DDK中，IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL曾被称作IRP_MJ_WMI，所以我把系统控制派遣函数命名为DispatchWmi。

（3）在省略号处，你可以插入设置其它MajorFunction指针的代码。

（4）如果驱动程序需要访问设备的服务键，可以在这里备份RegistryPath串。例如，如果驱动程序要作为WMI生产者，则需要备份这个串。这里我假设已经在某处声明了一个类型为UNICODE_STRING的全局变量servkey。

（5）返回STATUS_SUCCESS指出函数成功。如果函数失败，应该返回NTSTATUS.H中的一个错误代码，或者返回用户定义的错误代码。STATUS_SUCCESS的值为0。

3.2 Windows系统的I/O过程

为了实现操作系统的兼容性，可移植性，Windows操作系统不允许用户的应用程序对硬件设备进行操作，而由操作系统的I/O管理组件管理几乎所有的I/O操作请求，并最终由驱动程序完成所有的操作。具体过程如下：

（1）对I/O的每种用户其请求，I/O管理程序从分页系统内存中分配一个I/O请求包（IRP），基于用户请求的文件句柄和I/O函数，I/O管理程序将IRP传递给对应的驱动程序调度例程；

（2）调度例程检查请求的参数，如合法，把IRP包传递给驱动程序的Start I/O例程；

（3）Start I/O例程使用IRP的内容开始一个设备I/O操作；

（4）当操作完成，驱动程序的DpcForIsr例程将最后状态代码保存在IRP中，并将它返回给I/O管理程序；

（5）I/O管理程序使用IRP中的信息完成请求，并将最后状态返回给用户程序。

4.Usb键盘驱动

Usb系统驱动程序采用WDM结构，具体结构如图2所示。其中设备驱动程序位于整个结构的最顶层，它不直接操作硬件，而是通过一个接口传递请求。

4.1 USB设备驱动程序的初始化和枚举过程

当设备驱动程序被系统加载时，首先进入DriverEntry（）入口例程，在该例程中主要设置程序要处理的各个MajorFunction IRP和AddDevice的处理函数入口点。当USB堆栈检测到设备后，PNP调用DriverEntry例程中设置的AddDevice处理函数进行资源的分配和FDO的创建。下面介绍usb键盘驱动这段代码：

NTSTATUS UsbKbdAddDevice（IN PDRIVER_OBJECT DriverObject，

IN PDEVICE_OBJECT pdo）

{

DebugPrint（"AddDevice"）；

NTSTATUS status；

PDEVICE_OBJECT fdo；

status=IoCreateDevice（DriverObject，sizeof（USBKBD_DEVICE_EXTENSION），NULL，FILE_DEVICE_UNKNOWN，0，FALSE，&fdo）；

if（！NT_SUCCESS（status））

return status；

PUSBKBD_DEVICE_EXTENSION dx=（PUSBKBD_DEVICE_EXTENSION）fdo->Device Extension；

dx->fdo=fdo；

dx->pdo=pdo；

dx->UsageCount=1；

KeInitializeEvent（&dx->StoppingEvent，NotificationEvent，FALSE）；

dx->OpenHandleCount=0；

dx->GotResources=false；

dx->Paused=false；

dx->IODisabled=true；

dx->Stopping=false；

dx->UsbConfigurationHandle=NULL；

dx->UsbPipeHandle=NULL；

dx->UsbTimeout=10；

DebugPrint（"FDO is %x"，fdo）；

//Register and enable our device interface

status=IoRegisterDeviceInterface

（pdo，&USBKBD_GUID，NULL，&dx->ifSymLinkName）；

if（！NT_SUCCESS（status））

{

IoDeleteDevice（fdo）；

return status；

}

dx->NextStackDevice=IoAttachDeviceToDeviceStack（fdo，pdo）；

fdo->Flags|=DO_BUFFERED_IO|DO_POWER_PAGABLE；

fdo->Flags &=～DO_DEVICE_INITIAL IZING；

return STATUS_SUCCESS；

}

当USB堆栈分配完资源后，将发送一个IRP_MN_START_DEVICE，此时DriverEntry例程中指定的IRP_MJ_PNP处理函数将被激活。它将完成下面的工作：获取设备描述符；获取配置描述符；从配置描述符中选择一个接口，并用该接口配置设备。这就是USB设备的枚举过程，如枚举成功，将配置信息放在设备扩展中，这时的驱动程序已经完全就绪，等待应用程序发出与设备进行通信的请求。

4.2 USB键盘设备的数据交互过程

当应用程序与设备进行数据传输时，应用程序首先必须调用CreateFile打开设备，然后利用返回句柄对设备进行读写操作，用户在调用CreateFile时使用的文件名一般是驱动程序里建立一个符合链接（SymLinkName）。对于驱动程序，当应用程序调用CreateFile时，相应于IRP_MJ_CREATE的处理函数被激活，并完成下面工作：获取当前IRP的堆栈指针，通过堆栈指针获得要打开的文件名，然后通过文件名找到内部管道ID，如对当前接口此管道ID合法，则将该管道打开，并返回给应用程序一个句柄。

管道打开后，APP将会调用ReadFile或者WriteFile从设备读取数据或向设备写数据。此时驱动程序中对应于IRP_MJ_READ或者IRP_MJ_WRITE的处理函数被激活。这些处理函数将读写请求转换成相应的USB请求包（URP）传递给下层驱动程序，并等待I/O处理的最后完成。

本项目USB设备数据传输采用中断方式，IRP_MJ_READ对应函数UsbKbdRead，IRP_MJ_WRITE对应函数UsbKbdWrite，IRP_MJ_CREATE对应函数UsbKbdCreate，对于UsbKbdCreate函数里配置设备接口时，由于标准键盘的中断传输就是单方向只有一个管道，本文的非标准键盘是自定义的也需要对键盘进行写操作，所以需要配置一个IN和OUT管道，所以配置函数UsbSelectConfiguration里需要配置设备传递来中断端点的管道信息。

5.驱动程序的编译调试

为了能在VC下利用DDK编译驱动程序，创建文本文件build.bat，并粘贴下面代码

@echo on

set DDKPATH=D：＼WINDDK @ddk安装目录

set PRJDRV=F：

set PRJPATH=F：＼UsbKbd @项目程序目录

rem call BuildDriver.bat %DDKPATH% %PRJDRV% %PRJPATH% %1 %2

if %1==""goto usage1

if %2==""goto usage2

if not exist %DDKPATH%＼bin＼setenv.bat goto usage

call %DDKPATH%＼bin＼setenv.bat %DDKPATH% %1 %2

@echo on

%PRJDRV%

cd %PRJPATH%

build %1 %2

goto exit

：usage1

echo usage can't know DDK path！

goto exit

：usage2

echo usage can't know os type！

：exit

建立一个新的makefile工程，并在build command line那里设定build.bat free wxp，就是进行free版本的编译并利用wxp的DDK，本项目调试主要通过DebugPrint打印信息。

6.结束语

本文分析了驱动程序的工作原理，给出了编写驱动程序的主要过程，给出编写驱动程序的总体架构，并在主要细节上作了解释，为开发人员提供一定的参考。

参考文献

[1]Art Baker.Windows2000设备驱动程序设计指南[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]杨龙，刘岩.USB设备驱动程序的设计与开发[J].北京：装备指挥技术学院学报，2003-01-Vol14.

[3]刘蓬，张培仁.用DDK开发WDM驱动程序[J].合肥：计算机应用，2003（12）：vol23.

[4]Walter Oney.Programming the Microsoft Windows Driver Model[M].1999.