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《USB 软件结构 》

 

软件结构比硬件来的复杂很多。因为它包含了许多从表面上看不到的层次。比如总线驱动、功能驱动、过滤驱动等。套用社会学的话，这体现了功能应用中的分工和统筹。下面我们逐层来看它们。

 总线驱动

总线驱动位于驱动栈的最低层，处理复杂的任务，必须资源分配，子设备管理。作为下层驱动，负责处理上层驱动发下来的请求。USB设备中的总线驱动主要有两类：控制器驱动、HUB驱动；另外还有一个端口驱动。

1）控制器驱动：Ushohci.sys、Usbuhci.sys、Usbehci.sys。

首先解释一下HCI，它是主机控制接口（Host ControlInterface）的缩写。前后一共有三种HCI协议出现：USB
1.1时代，有OHCI（开发HCI）协议和UHCI（通用HCI）协议；USB2.0时代，有EHCI（扩展HCI）协议。三个协议分别对应了上面的三个驱动程序。因为USB是向后兼容的，所以UsbEHC.sys中也包含了UsbOhci和UsbUhci的功能。请看下图。

 

图1
总线设备 

上图中设备1、3是控制器设，从名称上就可以区别它们的不同：Universal
Host Controller和Enhanced Host Controller。所以设备1的驱动程序是USBUhci.sys，设备3的驱动程序是USBEhci.sys。

这说明同一台主机特别是笔记本电脑中，1.1和2.0的控制器并存，像笔记本电脑中的键盘通过内置USB接口与系统连接，其数据吞吐量小，只需要1.1的控制器就能满足；而暴露在外供用户使用的接口则需要2.0。

2）Hub驱动：UsbHub.sys。Hub驱动是所有USB设备的父驱动。下图描绘了这一景况：

 

图2

上图中看到，Hub驱动的子设备要不是独立设备，如左侧图；要么是一个含有多个子设备的父设备，如右侧图。Hub驱动只为直系子设备创建唯一的物理设备对象。上图中，Hub驱动为设备1和设备2创建物理设备对象，但并不为设备2的子设备创建物理设备对象。

3）Port驱动：UsbPort.sys。这是个框架驱动，比较复杂，很少人会用到。而上面的Ushohci.sys、Usbuhci.sys、Usbehci.sys其实都是他的微端口驱动。对于这么偏门的框架，不提也罢。

 系统类驱动

所以出现类驱动，体现了USB总线在应用上的繁荣景象。只有用得多了，才有被归类的可能。就像人类社会中有几百个国家，几千个民族，正是体现了人类这个团体的多样性与繁荣。只有在“多”的基础上，分类才是有必要的；少数人的小群体，再怎么独立特行，也都不足以被分类，甚至定义为“XX民族”。

USB设备包含很多的通用的功能类，比如：USB
集线器设备，USB HID设备，USB音频设备，USB MIDI设备，USB存储设备。为了让开发工作变得更加简单，Windows操作系统为他们提供了系统驱动程序。

大部分时候，系统类驱动就是功能驱动。下表是系统提供的USB类驱动。

 

 

 

功能驱动

 

不是所有的USB设备都有类驱动，但功能驱动却是它们唯一的身份证。没有功能驱动，设备就不足以在系统中存在。它的作用是为设备创造一个独一无二的内核设备对象（DEVICE_OBJCET），并因此而在需要的时候，系统能够通过此内核设备对象找到它。

如果要让用户层也能够知道并使用USB设备，功能驱动更加不可少。它为设备在用户程序可见的名字空间中，为它起一个别名，这个别名可以是一个符号链接，也可以是一个由GUID定义的设备Interface。通过对这个别名进行操作，也就是对设备本身进行操作。

OK，上面的话说得太满了，有例外的！唯一的例外是以RAW
模式驱动的设备。这种设备直接由总线驱动来驱动其工作，不需要功能驱动。这种例子真的不多见，也许只有很很底层的控制器设备、Hub设备之类，才会这样做。对于RAW模式驱动的设备，当收到IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES查询请求的时候，在返回的DEVICE_CAPABILITIES结构体中，必须将RawDeviceOK位设置为TRUE。

建议读者在需要的时候使用WinOBJ.exe工具查看系统空间中的设备与别名。

 

父驱动与混合设备

 

通过一定的设置，USB设备中的每个接口可以拥有不同的Class和Protocol定义，从而实现：一个设备，多个功能。这种设备被称为混合设备。混合设备的前提是拥有多个接口，对单接口设备谈“混合”是没有意义的。

满足了如下两个条件的多接口USB设备，被系统认为是混合设备：

1.        设备描述符中，设备类的值为0：(bDeviceClass,
bDeviceSubClass, bDeviceProtocol) = (0,0, 0);

2.        只有唯一的配置描述符，即设备描述符中：(bNumConfigurations) = (1)

 

从WinXP SP2以后，还支持另外一种混合设备的判别方式，称作：Interface Association Descriptor（IAD）。其实IAD描述符是用来组织“接口组（Interfaces
Group）”的。配置描述符中可以有多个IAD存在，如果将某两个接口将组成接口组，那么首先这两个接口必须是紧挨着的，其次，必须有一个IAD描述符位于这两个接口描述符的前面，也必须是紧挨着的，IAD描述符中的bFirstInterface用来描述接口组中的第一个接口ID，bInterfaceCount用来描述接口组中包含多少个接口。这样接口集合:
[bFirstInterface, bFirstInterface+bInterfaceCount)为一个接口组。

当然，能够用上IAD的设备，一定是有多接口存在了，否则就是多此一举了。IAD描述符的识别和实现是通用父驱动完成的，所以有IAD支持的设备，都被认作混合设备。而识别设备是否有IAD支持，是通过设备描述符中的如下值判断的：

(bDeviceClass, bDeviceSubClass, bDeviceProtocol) = (0xEF, 0x02,0x01)

IAD普及率不是很广，一个原因就是XP sp2以后的操作系统版本才对它支持，这样如果把设备插入到Win
2000甚至 XP SP1上，都不能被正确识别。这样，厂商可能必须为不同的系统写两套驱动程序。

我们下面来说说当一个多接口混合设备插入电脑后，系统是如何识别它，并为它加载驱动的。这里大家要注意到一点，就是系统是如何把一个设备，通过多接口，识别为多个物理设备的。

一开始，系统PNP管理器安装常规，读取并分析USB设备描述符，然后为它分配如下设备ID：

 

USB/VID_vvvv&PID_pppp&REV_rrrr

16进制数，分别代表了厂商ID，idVendor/idProduct/
bcdDevice)

 

和兼容ID：

 

 

PNP管理器首先按照常规，根据上述的设备ID为设备寻找合适的驱动程序：根据设备ID到注册表的设备安装信息库（对应于Enum和Class两个键）中进行搜索，如果找到了安装记录，就根据记录中的信息加载驱动程序。

问题是如果找不到合法的记录怎么办？这时候就用的着兼容ID了，兼容ID“USB/COMPOSITE”是在系统中有注册记录的，并且就对应着通用父设备驱动（USBCCGP.sys)。于是，系统为混合设备加载通用父设备驱动。读者可到目录Windows/Inf下查看usb.inf文件，此文件中包含了通用父设备驱动的安装信息。

通用父设备驱动通过分析配置描述符，完成两个动作：首先为每个USB接口分配一个的设备ID和兼容ID；然后为每个USB接口创建一个物理设备对象（Physical
Device Object）。设备ID形式如下：

 

USB/VID_vvvv&PID_pppp&REV_rrrr&MI_mm

16位数字表示的接口号USB/CLASS_cc

USB/CLASS_cc&SUBCLASS_ss&PROT_pp

16进制数。分别对应于接口描述符中的：<font style="font-size: 9pt;" color="black" face=""">bInterfaceClass/bInterfaceSubClass/ bInterfaceProtocol)

 

通用父设备驱动为每个接口创建了物理设备对象后，将接口的设备ID、兼容ID信息提交给PNP管理器，PNP管理器就有责任为这些“虚假的”物理设备安装驱动。仍然重复上面的过程：根据每个接口的设备ID和兼容ID在注册表的设备安装信息库中搜索，试图找到相关的安装记录，如果找到了，就为接口加载相应的驱动程序。如果找不到，系统就会弹出“发现新设备”的对话框，启动驱动安装向导。此时用户需为这些接口手动安装驱动。

所以，对于多接口的混合设备（compositedevice），其设备驱动的安装分为两个过程，先尝试安装混合驱动，如果找不到，就默认安装通用父设备驱动；接下来通用父设备驱动为每个接口分配设备ID，并要求系统为每个接口启动PNP过程。

最后，那么来说，在USB混合设备中，一定是X个接口对应于X个功能设备（有一个物理设备对象）吗？一般情况下是这样的，但也有例外，这就是接口组：在符合一定条件的情况下，多个接口中的某些接口可以被组合为一个接口组，一个接口组代表一个功能，父设备驱动只为之创建一个物理设备对象。

接口组的详情，大家看后面的章节内容。

 

过滤驱动

 

过滤驱动无处不在。在很多时候，它被称作Hook，是一种Hack手段；很多时候它又是必不可少的，这种技术甚至被操作系统自己使用。没有哪一个杀防毒软件不使用过滤驱动，我们在使用网上银行的时候，会用到一些安全控件，基本上都借助了过滤驱动的技术。

过滤驱动可以位于任何一层驱动的上面，或下面。过滤的对象也包括已经存在于系统中的其他的过滤驱动。当它位于某层驱动（D驱动）上面的时候，所有目标发往D驱动的请求，都首先被它截取；当它位于某层驱动下面的时候，所有和D驱动相关的从更底层驱动反馈回来的的“完成消息”都预先被过滤驱动截取。这正是它威力强大的原因所在。对于被过滤的驱动来说，过滤驱动简直就是它的先知了。

但使用过滤驱动，要很慎重。很容易把系统搞得很不稳定。读者在写过滤驱动的时候，要明白这样一件事：你想过滤谁，得先了解谁；好像你追求一个人，要先认识这个人。否则死机蓝屏都会与你不期而遇。

 

USB驱动栈、设备栈

 

请大家不要把这里的“栈”理解成“程序堆栈”的那个栈，朋友们要回到这个字最简单的本意来理解它，而不是想象成一个数据结构。就看成草垛柴堆一样。

驱动栈、设备栈本质上是并行概念。驱动之间的联系是通过设备对象进行的，所以驱动之间是间接联系的，驱动栈多少也就只是概念上的，他用来表示一个设备能够在系统中识别、运行，从上到下中共需要哪些驱动程序支持。

设备栈则是由据可查的。系统中每个DevNode就表现一个设备栈。可以这样理解，多个设备栈，串联成了驱动栈。

使用WinDBG的!devnode命令，可以列举系统中的设备树。下图截取了CY001相关片段。

图3 CY001 DevNode片段 

上图中红色框标出的三个DevNode，正好对应于三个内核驱动，建立了CY001的驱动栈。从上到下分别是控制器驱动(usbEHCI)，集线器驱动(usbHUB)，和功能驱动(CY001)。下图以CY001为例，更加清晰详细地描绘了驱动栈、设备栈的面貌。

 

图4 CY001的驱动栈和设备栈 

上图是单接口CY001设备的驱动栈、设备栈全图。也适用于所有其他的单接口USB设备。如果是多接口混合设备，就要多一个通用父驱动，稍微复杂一点。

最上面是可能存在的过滤驱动，因为只是“可能存在”，所以都用虚框表示。其实过滤驱动可以存在于设备栈的任何一个位置，而不仅仅是最上层。笔者不可能尽皆画全，以上层过滤为例，能说明问题也就可以了。

过滤驱动生成的过滤设备对象，挂载到CY001驱动生成的功能设备对象上；这样所有发送给CY001功能设备对象的请求，过滤设备对象总是先得到。根集线器生成了CY001驱动的物理设备对象。三个设备连在一起，就是CY001驱动程序的设备栈。

但还没有完，根集线器驱动并不是最底层驱动，他必须得到控制器驱动的支持，于是加上可能存在的过滤驱动，由此形成中间的那条设备栈。

仍旧未结束，控制器驱动也不是直接和系统交互的，而是通过更底层的系统总线如PCI、ACPI进行的。这样，右侧的第三条设备栈也形成了。

由此也可以看出设备栈、驱动栈之间的关系了。驱动栈是形而上的，设备栈是形而下的。