USB设备驱动程序的开发与USB协议

第1章绪论

1.1USB简介

USB是由世界著名计算机和通信公司等共同推出的新一代接口标准，全称为Universal Serial Bus（通用串行总线）[1]，是一种快速、灵活的总线接口。它是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB应用十分广泛，并具有下述优点：

1、适用于多种外设，使它不需要为不同的外设准备不同的接口和协议；

2、Windows能自动检测到USB设备的热插拔，并自动配置；

3、PC机上的接口线非常紧缺，而USB设备并不需要用户设置端口故无论从用户使用方便性，或从对资源的占用方面看，USB都很优秀；

4、当接入一个USB设备时，全速USB接口可达12Mbit/s。考虑到状态、控制和出错信息，最大理论速度仍可达到9.6Mbit/s，这是其他串行接口协议所不能比拟的，且USB也支持1.5Mbit/s的低速传输。

5、USB接口芯片价格低廉，这也大大促进USB设备的开发与应用。

在USB出现之前，计算机典型接口有并行口、串行口、鼠标口、键盘口、显示器口，及各种卡式接口等，与这些接口对应的有各种不同的电缆，在传输速度方面，这些接口都存在速度偏低的问题。在技术方面，这种设计容易产生I/O冲突，中断不够用，以及对于每一种新的外设都必须设计新的接口卡等缺点。当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。USB接口适应了这种要求，并以其速度快、使用方便、成本低等优点，迅速得到了众多PC厂商和半导体厂商的大力支持，外设向USB过度成为必然趋势。

1.2USB驱动程序的意义

如果PC主机不知道如何与USB外设通信，那么这个USB外设一点用处都没有，人机接口设备（HID）[2]类是Windows完全支持的USB设备类型中的一种，应用程序可以使用操作系统内设置的驱动与HID通信，但与HID 通信不像打开一个端口，设定几个参数，然后就可以读写数据那么简单，在应用程序能与HID交换数据之前，它先要找到设备，获取有关它的报告信息。为做到这些，应用程序必须通过访问通信API函数，使位于上层的应用程序与位于下层的设备驱动程序进行数据交换。应用程序可以使用任何能访问API函数的程序语言，VC++是一种能访问API函数的功能强大的语言，因此，我们应用Visual C++6.0环境下编写与USB设备通信的Windows程序。

1.3VC++软件的介绍

应用基于MFC AppWizard的应用程序。MFC (Microsoft Foundation Class Library)中的各种类结合起来构成了一个应用程序框架，它的目的就是在此基础上来建立Windows下的应用程序，这是一种相对SDK来说更为简单的方法。因为总体上，MFC框架定义了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，要做的就是通过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。Microsoft Visual C++提供了相应的工具来完成这个工作：

AppWizard可以用来生成初步的框架文件（代码和资源等）；资源编辑器用于帮助直观地设计用户接口；ClassWizard用来协助添加代码到框架文件；最后，编译，则通过类库实现了应用程序特定的逻辑。

1.4系统方案设计

上位机界面应用VC++6.0软件来编写，为了简单适用，在创建工程时采用对话框类型。一个好的应用程序首先要有好的用户界面，看起来赏心悦目，使用起来简单、方便。显示界面上的各个元素需要和USB设备上的元件摆放位置相对应。把要完成的一系列功能的显示元素分成不同的模块来进行程序的编写，每一个模块分别完成一种功能，这样既方便检查程序，也方便在通信发生错误时的对错误进行分析。

为了实现PC机对USB设备的识别，上位机端需要有一个USB设备的驱动程序来识别和支持USB设备，否则PC机将无法识别USB设备。这里选用DriverStudio软件来编写，它能生成一个简单的驱动程序的框架，根据需要，可以在此基础上进行更深层的开发。

1.5预期结果

通过上位机软件和驱动程序的编写实现以下功能：

1、完成上位机软件的编写，并可以在设备没有连接时显示连接错误。

2、完成驱动程序的编写，实现上位机能发现USB设备，并使上位机能正确配置设备。同时在显示界面上显示出找到设备。

3、实现双向传输。在上位机软件中可以控制USB设备中的相应显示，同时可以接收到USB设备传回的消息，并在显示界面上显示。达到一个PC 机与USB设备信息的交互，完成通信。

4、利用VC编程实现对计算机底层硬件的操作，培养在此方面工程开发的能力。

第2章USB协议

2.1USB系统的使用分类及系统的描述

USB设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的。软件体系通过对各种主机控制器提供支持以保证将来对USB的扩充[3]。USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。

USB系统的描述：

一个USB系统主要被定义为三个部分：USB的互连、USB的设备、USB 的主机。

USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：

（1）总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；

（2）内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；

（3）数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；

（4）USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。

USB的设备如下所示：

（1）网络集线器，向USB提供了更多的连接点；

（2）功能器件：为系统提供具体功能，如ISDN的连接，数字的游戏杆或扬声器。

USB设备提供的USB标准接口的主要依据：

（1）对USB协议的运用；