摘要
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）的初衷是简化外设的连接和使用，推动了计算机技术的发展。USB外设总线的核心在于操作系统对设备的自动识别、配置及热插拔特性，从而实现即插即用。本文以人工接口设备（Human Interface Device，HID）为例，从问题的起源、类驱动程序的设计、通信协议、描述符以及驱动开发等多个方面，探讨USB设备驱动的相关问题。

1. 问题的起源

用户在安装设备时，往往可能因驱动程序与系统或其他软件不兼容而耗费数天时间。如果操作系统自带相关驱动程序，设备即可插即用，这是理想的解决方案。

随着设备种类的不断增加，操作系统无法为所有设备预装驱动。然而，许多设备具备共性，通过将其归类并定义通用API接口，可以实现通用驱动程序的开发。

USB规范旨在通过分类方法实现这一目标。除了定义设备配置与数据传输的基本协议外，USB还规定了设备的机械与电气性能标准，并定义了通信、打印、图像、存储、音频和HID等设备类别。这种分类不仅支持单一功能设备，还支持多类别设备（混合设备）。

2. 类驱动程序

USB类驱动程序依赖于标准化的设备分类和API接口。在Windows 2000等操作系统中，部分USB类（如HID和音频类）已获得支持。USB驱动的分层模型如图1所示，采用标准的Windows驱动程序模型（WDM），通过核心USB驱动栈（USB Driver Stack）管理设备安装、启动以及数据交互。

HID类设备的支持

HID类设备（如键盘、鼠标、游戏控制器等）由操作系统内置驱动支持。多数USB设备包含HID类功能模块，如USB扬声器通过HID类管理音量控制，同时利用音频类传输音频数据。

层级抽象与通用性

USB驱动程序通过分层设计实现硬件抽象，类驱动程序无需关心底层接口（如ISA、PCI、SCSI等），甚至无需了解USB端口的具体实现。每层通过封装和API接口互相隔离，上层驱动只需调用下层的标准接口即可。

3. 通信协议

USB设备与主机通过管道（Pipe）通信，每个管道对应不同的端口（Endpoint），支持以下四种数据传输方式：

• 控制传输

• 中断传输

• 同步传输

• 批量传输

事务数据的组成

每种传输方式由多个事务数据组成，每个事务包括以下三个阶段：

1. 信令包阶段（Token Packet phase）： 定义事务类型和目标设备地址。

2. 数据包阶段（Data Packet phase）： 包含传输负载，单次事务可传输最多1023字节。

3. 握手信号阶段（Handshake Packet phase）： 确保传输的可靠性。

HID设备主要利用控制传输和中断传输两种方式。控制传输管道用于接收和响应命令；中断传输则实现如按键、鼠标移动等异步信号的实时传输。

4. 描述符

USB设备通过描述符传递其标识信息、性能、请求及协议等内容。描述符种类包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端口描述符和字符串描述符。对于HID类设备，额外定义了报告描述符（Report Descriptor），用于提供驱动程序解析的数据结构。

描述符的定义与实现

描述符通过固件编写，编译生成二进制格式存储于设备中。以下为利用EZUSB芯片设计的一个报告描述符示例：

ReportDescriptor: ; 生成的报告描述符  

DB 6,0,0FFH ; Usage_Page (Vendor Defined)  

DB 9,1 ; Usage (I/O Device)  

DB 0A1H,1 ; Collection (Application)  

DB 19H,1 ; Usage_Minimum  

DB 29H,2 ; Usage_Maximum  

DB 15H,0 ; Logical_Minimum (0)  

DB 26H,255,0 ; Logical_Maximum (255)  

DB 75H,8 ; Report_Size (8)  

DB 95H,1 ; Report_Count (1) = Read Address  

DB 81H,2 ; Input (Data,Var,Abs)  

DB 19H,1 ; Usage_Minimum  

DB 29H,2 ; Usage_Maximum  

DB 95H,2 ; Report_Count (2) = Write Address+Data  

DB 91H,2 ; Output (Data,Var,Abs)  

DB 0C0H ; End_Collection  

ReportLength EQU $-ReportDescriptor  

5. 驱动程序的开发

开发USB设备驱动程序需实现以下功能：

• 设备的初始化；

• 即插即用的设备创建与删除；

• Win32文件句柄请求的处理；

• IOCTL功能的定义与实现；

• IRP请求的调用处理；

• 调用其他驱动程序；

• 硬件的访问。

DriverEntry入口函数示例

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath) {  

    NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;  

    DriverObject->DriverUnload = USBUnload;  

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = USBCreate;  

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = USBClose;  

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = USBRead;  

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = USBWrite;  

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = USBDeviceControl;  

    RegisterForPnpNotification(DriverObject);  

    return status;  

}  

开发工具的选择

DriverStudio和WinDriver等工具可简化驱动程序开发，用户可根据提示定义设备功能，并通过修改示例代码完成定制化开发。

6. 结语

USB技术的广泛应用极大推动了计算机产业的发展。微软等厂商正不断完善USB驱动支持，将更多类驱动程序集成到操作系统中。通过基于标准的类驱动开发，设备兼容性和使用便利性将得到进一步提升。