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《USB 軟件結(jié)構(gòu) 》
軟件結(jié)構(gòu)比硬件來(lái)的復(fù)雜很多。因?yàn)樗嗽S多從表面上看不到的層次。比如總線驅(qū)動(dòng)、功能驅(qū)動(dòng)、過(guò)濾驅(qū)動(dòng)等。套用社會(huì)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(lái)看它們。
總線驅(qū)動(dòng)
總線驅(qū)動(dòng)位于驅(qū)動(dòng)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(dòng)，負(fù)責(zé)處理上層驅(qū)動(dòng)發(fā)下來(lái)的請(qǐng)求。 USB 設(shè)備中的總線驅(qū)動(dòng)主要有兩類(lèi)：控制器驅(qū)動(dòng)、 HUB 驅(qū)動(dòng)；另外還有一個(gè)端口驅(qū)動(dòng)。
1 ） 控制器驅(qū)動(dòng)： Ushohci.sys 、 Usbuhci.sys 、 Usbehci.sys 。
首先解釋一下 HCI ，它是主機(jī)控制接口（ Host Control Interface ）的縮寫(xiě)。前后一共有三種 HCI 協(xié)議出現(xiàn)： USB 1.1 時(shí)代，有 OHCI （開(kāi)發(fā) HCI ）協(xié)議和 UHCI （通用 HCI ）協(xié)議； USB2.0 時(shí)代，有 EHCI （擴(kuò)展 HCI ）協(xié)議。三個(gè)協(xié)議分別對(duì)應(yīng)了上面的三個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。因?yàn)?USB 是向后兼容的，所以 UsbEHC.sys 中也包含了 UsbOhci 和 UsbUhci 的功能。請(qǐng)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(chēng)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(dòng)程序是 USBUhci.sys ，設(shè)備 3 的驅(qū)動(dòng)程序是 USBEhci.sys 。
這說(shuō)明同一臺(tái)主機(jī)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(pán)通過(guò)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(hù)使用的接口則需要 2.0 。
2） Hub 驅(qū)動(dòng)： UsbHub.sys 。 Hub 驅(qū)動(dòng)是所有 USB 設(shè)備的父驅(qū)動(dòng)。下圖描繪了這一景況：
圖2
上圖中看到， Hub 驅(qū)動(dòng)的子設(shè)備要不是獨(dú)立設(shè)備，如左側(cè)圖；要么是一個(gè)含有多個(gè)子設(shè)備的父設(shè)備，如右側(cè)圖。 Hub 驅(qū)動(dòng)只為直系子設(shè)備創(chuàng)建唯一的物理設(shè)備對(duì)象。上圖中， Hub 驅(qū)動(dòng)為設(shè)備 1 和設(shè)備 2 創(chuàng)建物理設(shè)備對(duì)象，但并不為設(shè)備 2 的子設(shè)備創(chuàng)建物理設(shè)備對(duì)象。
3 ） Port 驅(qū)動(dòng)： UsbPort.sys 。這是個(gè)框架驅(qū)動(dòng)，比較復(fù)雜，很少人會(huì)用到。而上面的 Ushohci.sys 、 Usbuhci.sys 、 Usbehci.sys 其實(shí)都是他的微端口驅(qū)動(dòng)。對(duì)于這么偏門(mén)的框架，不提也罷。
系統(tǒng)類(lèi)驅(qū)動(dòng)
所以出現(xiàn)類(lèi)驅(qū)動(dòng)，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(lèi)的可能。就像人類(lèi)社會(huì)中有幾百個(gè)國(guó)家，幾千個(gè)民族，正是體現(xiàn)了人類(lèi)這個(gè)團(tuán)體的多樣性與繁榮。只有在“多”的基礎(chǔ)上，分類(lèi)才是有必要的；少數(shù)人的小群體，再怎么獨(dú)立特行，也都不足以被分類(lèi)，甚至定義為“ XX 民族”。
USB 設(shè)備包含很多的通用的功能類(lèi)，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(chǔ)設(shè)備。為了讓開(kāi)發(fā)工作變得更加簡(jiǎn)單， Windows 操作系統(tǒng)為他們提供了系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。
大部分時(shí)候，系統(tǒng)類(lèi)驅(qū)動(dòng)就是功能驅(qū)動(dòng)。下表是系統(tǒng)提供的 USB 類(lèi)驅(qū)動(dòng)。
USB 類(lèi)名稱(chēng)
類(lèi)代碼
驅(qū)動(dòng)名稱(chēng)
系統(tǒng)支持
藍(lán)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(chǔ)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(lèi)驅(qū)動(dòng)
功能驅(qū)動(dòng)
不是所有的 USB 設(shè)備都有類(lèi)驅(qū)動(dòng)，但功能驅(qū)動(dòng)卻是它們唯一的身份證。沒(méi)有功能驅(qū)動(dòng)，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(gè)獨(dú)一無(wú)二的內(nèi)核設(shè)備對(duì)象（ DEVICE_OBJCET ），并因此而在需要的時(shí)候，系統(tǒng)能夠通過(guò)此內(nèi)核設(shè)備對(duì)象找到它。
如果要讓用戶(hù)層也能夠知道并使用 USB 設(shè)備，功能驅(qū)動(dòng)更加不可少。它為設(shè)備在用戶(hù)程序可見(jiàn)的名字空間中，為它起一個(gè)別名，這個(gè)別名可以是一個(gè)符號(hào)鏈接，也可以是一個(gè)由 GUID 定義的設(shè)備 Interface 。通過(guò)對(duì)這個(gè)別名進(jìn)行操作，也就是對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行操作。
OK ，上面的話說(shuō)得太滿了，有例外的！唯一的例外是以 RAW 模式驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。這種設(shè)備直接由總線驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)其工作，不需要功能驅(qū)動(dòng)。這種例子真的不多見(jiàn)，也許只有很很底層的控制器設(shè)備、 Hub 設(shè)備之類(lèi)，才會(huì)這樣做。對(duì)于 RAW 模式驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，當(dāng)收到 IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES 查詢(xún)請(qǐng)求的時(shí)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(shí)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(dòng)與混合設(shè)備
通過(guò)一定的設(shè)置， USB 設(shè)備中的每個(gè)接口可以擁有不同的 Class 和 Protocol 定義，從而實(shí)現(xiàn)：一個(gè)設(shè)備，多個(gè)功能。這種設(shè)備被稱(chēng)為混合設(shè)備。混合設(shè)備的前提是擁有多個(gè)接口，對(duì)單接口設(shè)備談 “ 混合 ” 是沒(méi)有意義的。
滿足了如下兩個(gè)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(lèi)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(chēng)作： Interface Association Descriptor （ IAD ）。其實(shí) IAD 描述符是用來(lái)組織 “ 接口組（ Interfaces Group ） ” 的。配置描述符中可以有多個(gè) IAD 存在，如果將某兩個(gè)接口將組成接口組，那么首先這兩個(gè)接口必須是緊挨著的，其次，必須有一個(gè) IAD 描述符位于這兩個(gè)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(lái)描述接口組中的第一個(gè)接口 ID ， bInterfaceCount 用來(lái)描述接口組中包含多少個(gè)接口。這樣接口集合 : [bFirstInterface, bFirstInterface+bInterfaceCount) 為一個(gè)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(shí)別和實(shí)現(xiàn)是通用父驅(qū)動(dòng)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(shí)別設(shè)備是否有 IAD 支持，是通過(guò)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(gè)原因就是 XP sp2 以后的操作系統(tǒng)版本才對(duì)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(shí)別。這樣，廠商可能必須為不同的系統(tǒng)寫(xiě)兩套驅(qū)動(dòng)程序。
我們下面來(lái)說(shuō)說(shuō)當(dāng)一個(gè)多接口混合設(shè)備插入電腦后，系統(tǒng)是如何識(shí)別它，并為它加載驅(qū)動(dòng)的。這里大家要注意到一點(diǎn)，就是系統(tǒng)是如何把一個(gè)設(shè)備，通過(guò)多接口，識(shí)別為多個(gè)物理設(shè)備的。
一開(kāi)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(jìn)制數(shù)，分別代表了廠商 ID ，產(chǎn)品 ID ， USB 版本。對(duì)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(dòng)程序：根據(jù)設(shè)備 ID 到注冊(cè)表的設(shè)備安裝信息庫(kù)（對(duì)應(yīng)于 Enum 和 Class 兩個(gè)鍵）中進(jìn)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(dòng)程序。
問(wèn)題是如果找不到合法的記錄怎么辦？這時(shí)候就用的著兼容 ID 了，兼容 ID “ USB\COMPOSITE ”是在系統(tǒng)中有注冊(cè)記錄的，并且就對(duì)應(yīng)著通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)（ USBCCGP.sys) 。于是，系統(tǒng)為混合設(shè)備加載通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)。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(dòng)的安裝信息。
通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過(guò)分析配置描述符，完成兩個(gè)動(dòng)作：首先為每個(gè) USB 接口分配一個(gè)的設(shè)備 ID 和兼容 ID ；然后為每個(gè) USB 接口創(chuàng)建一個(gè)物理設(shè)備對(duì)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(gè) 16 位數(shù)字表示的接口號(hào) )
根據(jù)接口描述符中的 clsss 類(lèi)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(jìn)制數(shù)。分別對(duì)應(yīng)于接口描述符中的： bInterfaceClass/ bInterfaceSubClass/ bInterfaceProtocol)
通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)為每個(gè)接口創(chuàng)建了物理設(shè)備對(duì)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(dòng)。仍然重復(fù)上面的過(guò)程：根據(jù)每個(gè)接口的設(shè)備 ID 和兼容 ID 在注冊(cè)表的設(shè)備安裝信息庫(kù)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(dòng)程序。如果找不到，系統(tǒng)就會(huì)彈出“發(fā)現(xiàn)新設(shè)備”的對(duì)話框，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝向?qū)А４藭r(shí)用戶(hù)需為這些接口手動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)。
所以，對(duì)于多接口的混合設(shè)備（ composite device ），其設(shè)備驅(qū)動(dòng)的安裝分為兩個(gè)過(guò)程，先嘗試安裝混合驅(qū)動(dòng)，如果找不到，就默認(rèn)安裝通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)；接下來(lái)通用父設(shè)備驅(qū)動(dòng)為每個(gè)接口分配設(shè)備 ID ，并要求系統(tǒng)為每個(gè)接口啟動(dòng) PNP 過(guò)程。
最后，那么來(lái)說(shuō)，在 USB 混合設(shè)備中，一定是 X 個(gè)接口對(duì)應(yīng)于 X 個(gè)功能設(shè)備（有一個(gè)物理設(shè)備對(duì)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(gè)接口中的某些接口可以被組合為一個(gè)接口組，一個(gè)接口組代表一個(gè)功能，父設(shè)備驅(qū)動(dòng)只為之創(chuàng)建一個(gè)物理設(shè)備對(duì)象。
接口組的詳情，大家看后面的章節(jié)內(nèi)容。
過(guò)濾驅(qū)動(dòng)
過(guò)濾驅(qū)動(dòng)無(wú)處不在。在很多時(shí)候，它被稱(chēng)作 Hook ，是一種 Hack 手段；很多時(shí)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(méi)有哪一個(gè)殺防毒軟件不使用過(guò)濾驅(qū)動(dòng)，我們?cè)谑褂镁W(wǎng)上銀行的時(shí)候，會(huì)用到一些安全控件，基本上都借助了過(guò)濾驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。
過(guò)濾驅(qū)動(dòng)可以位于任何一層驅(qū)動(dòng)的上面，或下面。過(guò)濾的對(duì)象也包括已經(jīng)存在于系統(tǒng)中的其他的過(guò)濾驅(qū)動(dòng)。當(dāng)它位于某層驅(qū)動(dòng)（ D 驅(qū)動(dòng)）上面的時(shí)候，所有目標(biāo)發(fā)往 D 驅(qū)動(dòng)的請(qǐng)求，都首先被它截取；當(dāng)它位于某層驅(qū)動(dòng)下面的時(shí)候，所有和 D 驅(qū)動(dòng)相關(guān)的從更底層驅(qū)動(dòng)反饋回來(lái)的的“完成消息”都預(yù)先被過(guò)濾驅(qū)動(dòng)截取。這正是它威力強(qiáng)大的原因所在。對(duì)于被過(guò)濾的驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，過(guò)濾驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)直就是它的先知了。
但使用過(guò)濾驅(qū)動(dòng)，要很慎重。很容易把系統(tǒng)搞得很不穩(wěn)定。讀者在寫(xiě)過(guò)濾驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，要明白這樣一件事：你想過(guò)濾誰(shuí)，得先了解誰(shuí)；好像你追求一個(gè)人，要先認(rèn)識(shí)這個(gè)人。否則死機(jī)藍(lán)屏都會(huì)與你不期而遇。
USB 驅(qū)動(dòng)棧、設(shè)備棧
請(qǐng)大家不要把這里的“棧”理解成“程序堆棧”的那個(gè)棧，朋友們要回到這個(gè)字最簡(jiǎn)單的本意來(lái)理解它，而不是想象成一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。就看成草垛柴堆一樣。
驅(qū)動(dòng)棧、設(shè)備棧本質(zhì)上是并行概念。驅(qū)動(dòng)之間的聯(lián)系是通過(guò)設(shè)備對(duì)象進(jìn)行的，所以驅(qū)動(dòng)之間是間接聯(lián)系的，驅(qū)動(dòng)棧多少也就只是概念上的，他用來(lái)表示一個(gè)設(shè)備能夠在系統(tǒng)中識(shí)別、運(yùn)行，從上到下中共需要哪些驅(qū)動(dòng)程序支持。
設(shè)備棧則是由據(jù)可查的。系統(tǒng)中每個(gè) DevNode 就表現(xiàn)一個(gè)設(shè)備棧。可以這樣理解，多個(gè)設(shè)備棧，串聯(lián)成了驅(qū)動(dòng)棧。
使用 WinDBG 的 !devnode 命令，可以列舉系統(tǒng)中的設(shè)備樹(shù)。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(gè) DevNode ，正好對(duì)應(yīng)于三個(gè)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，建立了 CY001 的驅(qū)動(dòng)棧。從上到下分別是控制器驅(qū)動(dòng) (usbEHCI) ，集線器驅(qū)動(dòng) (usbHUB) ，和功能驅(qū)動(dòng) (CY001) 。下圖以 CY001 為例，更加清晰詳細(xì)地描繪了驅(qū)動(dòng)棧、設(shè)備棧的面貌。
圖 4 CY001 的驅(qū)動(dòng)棧和設(shè)備棧
上圖是單接口 CY001 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(gè)通用父驅(qū)動(dòng)，稍微復(fù)雜一點(diǎn)。
最上面是可能存在的過(guò)濾驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橹皇?#8220;可能存在”，所以都用虛框表示。其實(shí)過(guò)濾驅(qū)動(dòng)可以存在于設(shè)備棧的任何一個(gè)位置，而不僅僅是最上層。筆者不可能盡皆畫(huà)全，以上層過(guò)濾為例，能說(shuō)明問(wèn)題也就可以了。
過(guò)濾驅(qū)動(dòng)生成的過(guò)濾設(shè)備對(duì)象，掛載到 CY001 驅(qū)動(dòng)生成的功能設(shè)備對(duì)象上；這樣所有發(fā)送給 CY001 功能設(shè)備對(duì)象的請(qǐng)求，過(guò)濾設(shè)備對(duì)象總是先得到。根集線器生成了 CY001 驅(qū)動(dòng)的物理設(shè)備對(duì)象。三個(gè)設(shè)備連在一起，就是 CY001 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備棧。
但還沒(méi)有完，根集線器驅(qū)動(dòng)并不是最底層驅(qū)動(dòng)，他必須得到控制器驅(qū)動(dòng)的支持，于是加上可能存在的過(guò)濾驅(qū)動(dòng)，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(dòng)也不是直接和系統(tǒng)交互的，而是通過(guò)更底層的系統(tǒng)總線如 PCI 、 ACPI 進(jìn)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(dòng)棧之間的關(guān)系了。驅(qū)動(dòng)棧是形而上的，設(shè)備棧是形而下的。
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