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《USB 軟件結(jié)構(gòu) 》
軟件結(jié)構(gòu)比硬件來的復(fù)雜很多。因為它包含了許多從表面上看不到的層次。比如總線驅(qū)動、功能驅(qū)動、過濾驅(qū)動等。套用社會學(xué)的話，這體現(xiàn)了功能應(yīng)用中的分工和統(tǒng)籌。下面我們逐層來看它們。
總線驅(qū)動
總線驅(qū)動位于驅(qū)動棧的最低層，處理復(fù)雜的任務(wù)，必須資源分配，子設(shè)備管理。作為下層驅(qū)動，負(fù)責(zé)處理上層驅(qū)動發(fā)下來的請求。 USB 設(shè)備中的總線驅(qū)動主要有兩類：控制器驅(qū)動、 HUB 驅(qū)動；另外還有一個端口驅(qū)動。
1 ） 控制器驅(qū)動： Ushohci.sys 、 Usbuhci.sys 、 Usbehci.sys 。
首先解釋一下 HCI ，它是主機控制接口（ Host Control Interface ）的縮寫。前后一共有三種 HCI 協(xié)議出現(xiàn)： USB 1.1 時代，有 OHCI （開發(fā) HCI ）協(xié)議和 UHCI （通用 HCI ）協(xié)議； USB2.0 時代，有 EHCI （擴展 HCI ）協(xié)議。三個協(xié)議分別對應(yīng)了上面的三個驅(qū)動程序。因為 USB 是向后兼容的，所以 UsbEHC.sys 中也包含了 UsbOhci 和 UsbUhci 的功能。請看下圖。
圖 1 總線設(shè)備
上圖中設(shè)備 1 、 3 是控制器設(shè)，從名稱上就可以區(qū)別它們的不同： Universal Host Controller 和 Enhanced Host Controller 。所以設(shè)備 1 的驅(qū)動程序是 USBUhci.sys ，設(shè)備 3 的驅(qū)動程序是 USBEhci.sys 。
這說明同一臺主機特別是筆記本電腦中， 1.1 和 2.0 的控制器并存，像筆記本電腦中的鍵盤通過內(nèi)置 USB 接口與系統(tǒng)連接，其數(shù)據(jù)吞吐量小，只需要 1.1 的控制器就能滿足；而暴露在外供用戶使用的接口則需要 2.0 。
2） Hub 驅(qū)動： UsbHub.sys 。 Hub 驅(qū)動是所有 USB 設(shè)備的父驅(qū)動。下圖描繪了這一景況：
圖2
上圖中看到， Hub 驅(qū)動的子設(shè)備要不是獨立設(shè)備，如左側(cè)圖；要么是一個含有多個子設(shè)備的父設(shè)備，如右側(cè)圖。 Hub 驅(qū)動只為直系子設(shè)備創(chuàng)建唯一的物理設(shè)備對象。上圖中， Hub 驅(qū)動為設(shè)備 1 和設(shè)備 2 創(chuàng)建物理設(shè)備對象，但并不為設(shè)備 2 的子設(shè)備創(chuàng)建物理設(shè)備對象。
3 ） Port 驅(qū)動： UsbPort.sys 。這是個框架驅(qū)動，比較復(fù)雜，很少人會用到。而上面的 Ushohci.sys 、 Usbuhci.sys 、 Usbehci.sys 其實都是他的微端口驅(qū)動。對于這么偏門的框架，不提也罷。
系統(tǒng)類驅(qū)動
所以出現(xiàn)類驅(qū)動，體現(xiàn)了 USB 總線在應(yīng)用上的繁榮景象。只有用得多了，才有被歸類的可能。就像人類社會中有幾百個國家，幾千個民族，正是體現(xiàn)了人類這個團體的多樣性與繁榮。只有在“多”的基礎(chǔ)上，分類才是有必要的；少數(shù)人的小群體，再怎么獨立特行，也都不足以被分類，甚至定義為“ XX 民族”。
USB 設(shè)備包含很多的通用的功能類，比如： USB 集線器設(shè)備， USB HID 設(shè)備， USB 音頻設(shè)備， USB MIDI 設(shè)備， USB 存儲設(shè)備。為了讓開發(fā)工作變得更加簡單， Windows 操作系統(tǒng)為他們提供了系統(tǒng)驅(qū)動程序。
大部分時候，系統(tǒng)類驅(qū)動就是功能驅(qū)動。下表是系統(tǒng)提供的 USB 類驅(qū)動。
USB 類名稱
類代碼
驅(qū)動名稱
系統(tǒng)支持
藍牙設(shè)備
0xE0
Bthusb.sys
Vista 、 XP
USB 芯片智能卡接口設(shè)備
(CCID)
0x0B
Usbccid.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
Hub 設(shè)備
0x09
Usbhub.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
HID 設(shè)備
0x03
Hidusb.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
USB 大容量存儲設(shè)備
0x08
Usbstor.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
打印設(shè)備
0x07
Usbprint.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
掃描設(shè)備
0x06
WpdUsb.sys Usbscan.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
媒體傳輸設(shè)備 (MTP)
0x06
WpdUsb.sys
XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
音頻設(shè)備
0x01
Usbaudio.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
Modem 設(shè)備 (CDC)
0x02
Usbser.sys
2K 、 XP 、 2K3 、 Vista 、 2K8
視頻設(shè)備 (UVC)
0x0E
Usbvideo.sys
XP 、 Vista
表 1 系統(tǒng)提供的 USB 類驅(qū)動
功能驅(qū)動
不是所有的 USB 設(shè)備都有類驅(qū)動，但功能驅(qū)動卻是它們唯一的身份證。沒有功能驅(qū)動，設(shè)備就不足以在系統(tǒng)中存在。它的作用是為設(shè)備創(chuàng)造一個獨一無二的內(nèi)核設(shè)備對象（ DEVICE_OBJCET ），并因此而在需要的時候，系統(tǒng)能夠通過此內(nèi)核設(shè)備對象找到它。
如果要讓用戶層也能夠知道并使用 USB 設(shè)備，功能驅(qū)動更加不可少。它為設(shè)備在用戶程序可見的名字空間中，為它起一個別名，這個別名可以是一個符號鏈接，也可以是一個由 GUID 定義的設(shè)備 Interface 。通過對這個別名進行操作，也就是對設(shè)備本身進行操作。
OK ，上面的話說得太滿了，有例外的！唯一的例外是以 RAW 模式驅(qū)動的設(shè)備。這種設(shè)備直接由總線驅(qū)動來驅(qū)動其工作，不需要功能驅(qū)動。這種例子真的不多見，也許只有很很底層的控制器設(shè)備、 Hub 設(shè)備之類，才會這樣做。對于 RAW 模式驅(qū)動的設(shè)備，當(dāng)收到 IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES 查詢請求的時候，在返回的 DEVICE_CAPABILITIES 結(jié)構(gòu)體中，必須將 RawDeviceOK 位設(shè)置為 TRUE 。
建議讀者在需要的時候使用 WinOBJ.exe 工具查看系統(tǒng)空間中的設(shè)備與別名。
父驅(qū)動與混合設(shè)備
通過一定的設(shè)置， USB 設(shè)備中的每個接口可以擁有不同的 Class 和 Protocol 定義，從而實現(xiàn)：一個設(shè)備，多個功能。這種設(shè)備被稱為混合設(shè)備。混合設(shè)備的前提是擁有多個接口，對單接口設(shè)備談 “ 混合 ” 是沒有意義的。
滿足了如下兩個條件的多接口 USB 設(shè)備，被系統(tǒng)認(rèn)為是混合設(shè)備：
1. 設(shè)備描述符中，設(shè)備類的值為 0 ： (bDeviceClass , bDeviceSubClass, bDeviceProtocol ) = (0, 0, 0);
2. 只有唯一的配置描述符，即設(shè)備描述符中： (bNumConfigurations ) = (1)
從 WinXP SP2 以后，還支持另外一種混合設(shè)備的判別方式，稱作： Interface Association Descriptor （ IAD ）。其實 IAD 描述符是用來組織 “ 接口組（ Interfaces Group ） ” 的。配置描述符中可以有多個 IAD 存在，如果將某兩個接口將組成接口組，那么首先這兩個接口必須是緊挨著的，其次，必須有一個 IAD 描述符位于這兩個接口描述符的前面，也必須是緊挨著的， IAD 描述符中的 bFirstInterface 用來描述接口組中的第一個接口 ID ， bInterfaceCount 用來描述接口組中包含多少個接口。這樣接口集合 : [bFirstInterface, bFirstInterface+bInterfaceCount) 為一個接口組。
當(dāng)然，能夠用上 IAD 的設(shè)備，一定是有多接口存在了，否則就是多此一舉了。 IAD 描述符的識別和實現(xiàn)是通用父驅(qū)動完成的，所以有 IAD 支持的設(shè)備，都被認(rèn)作混合設(shè)備。而識別設(shè)備是否有 IAD 支持，是通過設(shè)備描述符中的如下值判斷的：
(bDeviceClass, bDeviceSubClass, bDeviceProtocol) = (0xEF, 0x02, 0x01)
IAD 普及率不是很廣，一個原因就是 XP sp2 以后的操作系統(tǒng)版本才對它支持，這樣如果把設(shè)備插入到 Win 2000 甚至 XP SP1 上，都不能被正確識別。這樣，廠商可能必須為不同的系統(tǒng)寫兩套驅(qū)動程序。
我們下面來說說當(dāng)一個多接口混合設(shè)備插入電腦后，系統(tǒng)是如何識別它，并為它加載驅(qū)動的。這里大家要注意到一點，就是系統(tǒng)是如何把一個設(shè)備，通過多接口，識別為多個物理設(shè)備的。
一開始，系統(tǒng) PNP 管理器安裝常規(guī)，讀取并分析 USB 設(shè)備描述符，然后為它分配如下設(shè)備 ID ：
USB\VID_vvvv&PID_pppp
USB\VID_vvvv&PID_pppp&REV_rrrr
(vvvv, pppp, rrrr: 4 位 16 進制數(shù)，分別代表了廠商 ID ，產(chǎn)品 ID ， USB 版本。對應(yīng)于設(shè)備描述符中的這些值： idVendor/ idProduct/ bcdDevice)
和兼容 ID ：
USB\COMPOSITE
PNP 管理器首先按照常規(guī)，根據(jù)上述的設(shè)備 ID 為設(shè)備尋找合適的驅(qū)動程序：根據(jù)設(shè)備 ID 到注冊表的設(shè)備安裝信息庫（對應(yīng)于 Enum 和 Class 兩個鍵）中進行搜索，如果找到了安裝記錄，就根據(jù)記錄中的信息加載驅(qū)動程序。
問題是如果找不到合法的記錄怎么辦？這時候就用的著兼容 ID 了，兼容 ID “ USB\COMPOSITE ”是在系統(tǒng)中有注冊記錄的，并且就對應(yīng)著通用父設(shè)備驅(qū)動（ USBCCGP.sys) 。于是，系統(tǒng)為混合設(shè)備加載通用父設(shè)備驅(qū)動。讀者可到目錄 Windows\Inf 下查看 usb.inf 文件，此文件中包含了通用父設(shè)備驅(qū)動的安裝信息。
通用父設(shè)備驅(qū)動通過分析配置描述符，完成兩個動作：首先為每個 USB 接口分配一個的設(shè)備 ID 和兼容 ID ；然后為每個 USB 接口創(chuàng)建一個物理設(shè)備對象（ Physical Device Object ）。設(shè)備 ID 形式如下：
USB\VID_vvvv&PID_pppp&MI_mm
USB\VID_vvvv&PID_pppp&REV_rrrr&MI_mm
(mm: 兩個 16 位數(shù)字表示的接口號 )
根據(jù)接口描述符中的 clsss 類型，分配兼容 ID ，其形式如下：
USB\CLASS_cc
USB\CLASS_cc&SUBCLASS_ss
USB\CLASS_cc&SUBCLASS_ss&PROT_pp
(cc/ ss / pp: 兩位 16 進制數(shù)。分別對應(yīng)于接口描述符中的： bInterfaceClass/ bInterfaceSubClass/ bInterfaceProtocol)
通用父設(shè)備驅(qū)動為每個接口創(chuàng)建了物理設(shè)備對象后，將接口的設(shè)備 ID 、兼容 ID 信息提交給 PNP 管理器， PNP 管理器就有責(zé)任為這些“虛假的”物理設(shè)備安裝驅(qū)動。仍然重復(fù)上面的過程：根據(jù)每個接口的設(shè)備 ID 和兼容 ID 在注冊表的設(shè)備安裝信息庫中搜索，試圖找到相關(guān)的安裝記錄，如果找到了，就為接口加載相應(yīng)的驅(qū)動程序。如果找不到，系統(tǒng)就會彈出“發(fā)現(xiàn)新設(shè)備”的對話框，啟動驅(qū)動安裝向?qū)А４藭r用戶需為這些接口手動安裝驅(qū)動。
所以，對于多接口的混合設(shè)備（ composite device ），其設(shè)備驅(qū)動的安裝分為兩個過程，先嘗試安裝混合驅(qū)動，如果找不到，就默認(rèn)安裝通用父設(shè)備驅(qū)動；接下來通用父設(shè)備驅(qū)動為每個接口分配設(shè)備 ID ，并要求系統(tǒng)為每個接口啟動 PNP 過程。
最后，那么來說，在 USB 混合設(shè)備中，一定是 X 個接口對應(yīng)于 X 個功能設(shè)備（有一個物理設(shè)備對象）嗎？一般情況下是這樣的，但也有例外，這就是接口組：在符合一定條件的情況下，多個接口中的某些接口可以被組合為一個接口組，一個接口組代表一個功能，父設(shè)備驅(qū)動只為之創(chuàng)建一個物理設(shè)備對象。
接口組的詳情，大家看后面的章節(jié)內(nèi)容。
過濾驅(qū)動
過濾驅(qū)動無處不在。在很多時候，它被稱作 Hook ，是一種 Hack 手段；很多時候它又是必不可少的，這種技術(shù)甚至被操作系統(tǒng)自己使用。沒有哪一個殺防毒軟件不使用過濾驅(qū)動，我們在使用網(wǎng)上銀行的時候，會用到一些安全控件，基本上都借助了過濾驅(qū)動的技術(shù)。
過濾驅(qū)動可以位于任何一層驅(qū)動的上面，或下面。過濾的對象也包括已經(jīng)存在于系統(tǒng)中的其他的過濾驅(qū)動。當(dāng)它位于某層驅(qū)動（ D 驅(qū)動）上面的時候，所有目標(biāo)發(fā)往 D 驅(qū)動的請求，都首先被它截取；當(dāng)它位于某層驅(qū)動下面的時候，所有和 D 驅(qū)動相關(guān)的從更底層驅(qū)動反饋回來的的“完成消息”都預(yù)先被過濾驅(qū)動截取。這正是它威力強大的原因所在。對于被過濾的驅(qū)動來說，過濾驅(qū)動簡直就是它的先知了。
但使用過濾驅(qū)動，要很慎重。很容易把系統(tǒng)搞得很不穩(wěn)定。讀者在寫過濾驅(qū)動的時候，要明白這樣一件事：你想過濾誰，得先了解誰；好像你追求一個人，要先認(rèn)識這個人。否則死機藍屏都會與你不期而遇。
USB 驅(qū)動棧、設(shè)備棧
請大家不要把這里的“棧”理解成“程序堆棧”的那個棧，朋友們要回到這個字最簡單的本意來理解它，而不是想象成一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。就看成草垛柴堆一樣。
驅(qū)動棧、設(shè)備棧本質(zhì)上是并行概念。驅(qū)動之間的聯(lián)系是通過設(shè)備對象進行的，所以驅(qū)動之間是間接聯(lián)系的，驅(qū)動棧多少也就只是概念上的，他用來表示一個設(shè)備能夠在系統(tǒng)中識別、運行，從上到下中共需要哪些驅(qū)動程序支持。
設(shè)備棧則是由據(jù)可查的。系統(tǒng)中每個 DevNode 就表現(xiàn)一個設(shè)備棧。可以這樣理解，多個設(shè)備棧，串聯(lián)成了驅(qū)動棧。
使用 WinDBG 的 !devnode 命令，可以列舉系統(tǒng)中的設(shè)備樹。下圖截取了 CY001 相關(guān)片段。
圖 3 CY001 DevNode 片段
上圖中紅色框標(biāo)出的三個 DevNode ，正好對應(yīng)于三個內(nèi)核驅(qū)動，建立了 CY001 的驅(qū)動棧。從上到下分別是控制器驅(qū)動 (usbEHCI) ，集線器驅(qū)動 (usbHUB) ，和功能驅(qū)動 (CY001) 。下圖以 CY001 為例，更加清晰詳細(xì)地描繪了驅(qū)動棧、設(shè)備棧的面貌。
圖 4 CY001 的驅(qū)動棧和設(shè)備棧
上圖是單接口 CY001 設(shè)備的驅(qū)動棧、設(shè)備棧全圖。也適用于所有其他的單接口 USB 設(shè)備。如果是多接口混合設(shè)備，就要多一個通用父驅(qū)動，稍微復(fù)雜一點。
最上面是可能存在的過濾驅(qū)動，因為只是“可能存在”，所以都用虛框表示。其實過濾驅(qū)動可以存在于設(shè)備棧的任何一個位置，而不僅僅是最上層。筆者不可能盡皆畫全，以上層過濾為例，能說明問題也就可以了。
過濾驅(qū)動生成的過濾設(shè)備對象，掛載到 CY001 驅(qū)動生成的功能設(shè)備對象上；這樣所有發(fā)送給 CY001 功能設(shè)備對象的請求，過濾設(shè)備對象總是先得到。根集線器生成了 CY001 驅(qū)動的物理設(shè)備對象。三個設(shè)備連在一起，就是 CY001 驅(qū)動程序的設(shè)備棧。
但還沒有完，根集線器驅(qū)動并不是最底層驅(qū)動，他必須得到控制器驅(qū)動的支持，于是加上可能存在的過濾驅(qū)動，由此形成中間的那條設(shè)備棧。
仍舊未結(jié)束，控制器驅(qū)動也不是直接和系統(tǒng)交互的，而是通過更底層的系統(tǒng)總線如 PCI 、 ACPI 進行的。這樣，右側(cè)的第三條設(shè)備棧也形成了。
由此也可以看出設(shè)備棧、驅(qū)動棧之間的關(guān)系了。驅(qū)動棧是形而上的，設(shè)備棧是形而下的。
本文來自CSDN博客，轉(zhuǎn)載請標(biāo)明出處：http://blog.csdn.net/changpei/archive/2010/05/06/5562542.aspx