Рис. 1.3.1.2 Уровни передачи данных

Конечная точка (Endpoint) – это часть USB‑устройства, которая имеет уникальный идентификатор и является получателем или отправителем информации, передаваемой по шине USB. Проще говоря, это буфер, сохраняющий несколько байт. Обычно это блок данных в памяти или регистр микроконтроллера. Данные, хранящиеся в конечной точке, могут быть либо принятыми данными, либо данными, ожидающими передачу. Хост также имеет буфер для приема и передачи данных, но хост не имеет конечных точек.

Конечная точка имеет следующие основные параметры:

• частота доступа к шине;

• допустимая величина задержки обслуживания;

• требуемая ширина полосы пропускания канала;

• номер конечной точки;

• способ обработки ошибок;

• максимальный размер пакета, который конечная точка может принимать или отправлять;

• используемый конечной точкой тип посылок;

• направление передачи данных.

Любое USB‑устройство имеет конечную точку с нулевым номером (Endpoint Zero). Эта точка позволяет хосту опрашивать устройство с целью определения его типа и параметров, выполнять инициализацию и конфигурирование устройства.

Кроме нулевой точки, устройства, обычно, имеют дополнительные конечные точки, которые используются для обмена данными с хостом. Дополнительные точки могут работать либо только на прием данных от хоста (входные точки, IN), либо только на передачу данных хосту (выходные точки, OUT).

Нулевая точка устройства доступна после того, как устройство подключено к шине, включено и получило сигнал сброса по шине (bus reset). Все остальные конечные точки после включения питания или сброса находятся в неопределенном состоянии и недоступны для работы до тех пор, пока хост не выполнит процедуру конфигурирования устройства.

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи данных для конечных точек:

• управляющие передачи (Control Transfers) – используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок;

• передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) – применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено;

• передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) – используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство;

• изохронные передачи (Isochronous Transfers) – применяются для обмена данными в «реальном времени», когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов).

Канал (pipe) – это логическое соединение между конечной точкой устройства и ПО хоста. Существует две модели каналов:

• потоковый канал (или просто поток, streaming pipe) – это канал для передачи данных, структура которых определяется клиентским ПО. Потоки используются для передачи массивов данных, передачи данных по прерываниям и изохронной передачи данных. Поток всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух разных потоковых каналов – ввода и вывода. Передачи данных в потоковых каналах подчиняются следующим правилам:

• запросы клиентских драйверов для разных каналов, поставленные в определенном порядке друг относительно друга, могут выполняться в другом порядке;

• запросы для одного канала будут исполняться строго в порядке их поступления;

• если во время выполнения какого-либо запроса происходит серьезная ошибка (STALL), поток останавливается;

• канал сообщений (message pipe или control pipe) – это канал для передачи данных, структура которых определяется спецификацией USB. Каналы этого типа двунаправленные и применяются для передачи управляющих посылок. Каналы сообщений строго синхронизированы – спецификация USB запрещает одновременную обработку нескольких запросов: нельзя начинать передачу нового сообщения, пока не завершена обработка предыдущего. В случае возникновения ошибки передача сообщения может быть прервана хостом, после чего хост может начать передачу нового сообщения.

Основными характеристиками каналов являются:

• полоса пропускания канала;

• используемый каналом тип передачи данных;

• характеристики, соответствующие конечной точке: направление передачи данных и максимальный размер пакета.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не списывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается. Архитектура USB предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем, чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. Шина USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Канал сообщений, связанный с нулевой конечной точкой, называется Основным каналом сообщений (Default Control Pipe или Control Pipe 0). Владельцем этого канала является USBD, и он используется для конфигурирования устройства. Основной канал сообщений поддерживает только управляющие передачи. Остальные каналы (они называются клиентскими каналами, Client Pipe) создаются в процессе конфигурирования устройства. Их владельцами являются драйверы устройств. По клиентским каналам могут передаваться как потоки, так и сообщения с помощью любых типов передач.

Набор клиентских каналов, с которыми работает драйвер устройства, называется интерфейсом устройства или связкой клиентских каналов.

1.4 Драйверная модель WDM

WDM (Windows Driver Model) – новая модель архитектуры драйверов, предложенная Microsoft для Windows 2000, хотя эта архитектура развивалась, начиная с Windows 3.11, продолжая развиваться и в Windows 98 и Windows NT, но по-настоящему полной она стала только в Windows 2000.

С точки зрения WDM, существует три типа драйверов:

• Драйвер шины – драйвер, обслуживающий контроллер шины, адаптер, мост или любые другие устройства, имеющие дочерние устройства. Для каждого типа шины в операционной системе имеется свой драйвер;

• Функциональный драйвер – основной драйвер устройства, предоставляющий его функциональный интерфейс. Этот драйвер обязателен кроме тех случаев, когда ввод-вывод осуществляется драйвером шины или драйвером фильтров шины. Функциональный драйвер по определению обладает наиболее полной информацией о своем устройстве. Обычно только этот драйвер имеет доступ к специфическим регистрам устройства;

• Драйвер фильтра – драйвер, поддерживающий дополнительную функциональность устройства (или существующего драйвера) или изменяющий запросы ввода / вывода и ответы на них от других драйверов. Таких драйверов может быть несколько, хотя их присутствие необязательно. Они могут работать как на более высоком уровне, чем функциональный драйвер или драйвер шины, так и на более низком.

В среде WDM один драйвер не может контролировать все аспекты устройства: драйвер шины информирует диспетчера PnP об устройствах, подключенных к шине, в то время как функциональный драйвер управляет устройством.

1.4.1 Драйверные слои

Согласно перечисленным выше типам драйверов, существует три типа
объектов:

• Объекты физических устройств (PDO, Physical Device Object) – эти объекты создаются для каждого физически идентифицируемого элемента аппаратуры, подключенного к шине данных;

• Объекты функциональных устройств (FDO, Functional Device Object) – подразумевает единицу логической функциональности устройства;

• Объекты фильтров устройств (FiDO, Filter Device Object) – предоставляют дополнительную функциональность.

В Windows NT 5 последовательность загрузки драйверов устройств такая:

1. Во время загрузки операционной системы производится загрузка шинных драйверов для каждой известной системе шины (список шин создается при установке операционной системы и сохраняется в реестре);

2. Вызывается DriverEntry, а затем AddDevice для каждого шинного драйвера. В AddDevice создается FDO для драйвера системной шины. Затем на созданный FDO отправляется запрос IRP_MN_START_DEVICE;

3. Шинный драйвер составляет список всех устройств, подключенных к шине. Для каждого найденного устройства создается объект PDO;

4. На каждый PDO посылается запрос IRP_MN_QUERY_DEVICE_RELATION, в ответ на который шинный драйвер возвращает идентификаторы всех найденных устройств;

5. На эти PDO посылают запрос IRP_MN_QUERY_ID, в ответ на который драйвер системной шины сообщает идентификаторы этих устройств;

6. Получив идентификаторы, система пытается найти и загрузить драйверы устройств;

7. Найдя драйвер для устройств, система загружает его в память, вызывая его DriverEntry. Потом вызывается AddDevice, где создается FDO для устройства. Если устройств, управляемых этим драйвером, несколько, то AddDevice будет вызвана для каждого устройства. Если в реестре зарегистрированы дополнительные фильтры, то они также загружаются в память. Затем система посылает на FDO запрос IRP_MN_START_DEVICE;

8. Происходит посылка на FDO запроса IRP_MN_QUERY_DEVICE_RELATIONS. Если устройство само является шиной или держит на себе другие устройства, которыми само не управляет, то для устройства на нем повторяется вся последовательность действий, начиная с пункта 5.

Функция AddDevice, вызываемая для каждого FDO, вызывает IoCreateDevice и IoAttachDeviceToStack, обеспечивая построение стека устройств. Стек устройств обеспечивает прохождение запросов от пользовательских программ до аппаратного (нижнего) уровня драйверов (Рис. 1.4.1.1).

Рис. 1.4.1.1 Стек устройств

Из вышесказанного становится понятным, что разрабатываемый драйвер должен являться драйвером-фильтром нижнего уровня, связанным с клиентским драйвером USB‑накопителя. Необходимость работы с клиентским USB‑драйвером объясняется тем, что именно на этом уровне перехватываемая информация обладает требуемой структурированностью – передаются именно файлы, а не блоки информации (кадры или составленные из них транзакции), определяемые протоколом обмена по USB.

1.4.2 Точки входа WDM-драйвера

WDM‑драйверы отличаются от унаследованных драйверов тем, что должны содержать дополнительные точки входа для поддержки PnP, и, в целом, они более логичны по структуре. Приведем список точек входа и кратко охарактеризуем их назначение:

NTSTATUS DriverEntry (

IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, // указатель на объект драйвера

IN PUNICODE_STRING RegistryPath) // путь к подразделу регистра,

 // относящегося к драйверу

Эта функция выполняется при загрузке драйвера операционной системой. В WDM‑драйверах на DriverEntry возложены обязанности по регистрации всех остальных точек входа драйвера.

NTSTATUS AddDevice (

IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, // указатель на объект драйвера

IN PDEVICE_OBJECT PhysicalDeviceObject) // указатель на родительский PDO

В драйверах, поддерживающих PnP, через эту точку входа менеджер PnP посылает драйверу уведомление об обнаружении устройства, за которое должен отвечать драйвер. Функция AddDevice должна создать объект устройства с помощью вызова IoCreateDevice и при необходимости присоединить его к стеку устройств с помощью IoAttachDeviceToDeviceStack.

NTSTATUS DriverUnload (

IN PDRIVER_OBJECT DriverObject) // указатель на объект драйвера

Вызывается при выгрузке драйвера. В этой функции должны осво
бождаться все затребованные драйвером ресурсы. Драйверы WDM‑модели
выполняют эти действия в обработчике запросов IRP_MJ_PNP с субкодом IRP_MN_REMOVE_DEVICE, то есть при удалении устройства из системы.

Следует выделить отдельный класс точек входа драйвера, которые предназначены для обработки IRP‑пакетов с различными кодами операций. Эти точки входа регистрируются при загрузке драйвера в функции DriverEntry. Регистрация производится путем заполнения элементов массива MajorFunction адресами диспетчеризуемых функций. Индексом в этом массиве являются коды IRP_MJ_XXX, то есть описанные числами типы пакетов IRP. Диспетчер ввода / вывода, ориентируясь на заполнение этого массива, вызывает нужные функции драйвера.

Поскольку для драйвера важны только адреса рабочих процедур, то все рабочие процедуры могут иметь совершенно произвольные имена.

1.5 Пакет запроса ввода / вывода (IRP)

Пакеты ввода / вывода (IRP‑пакеты) используются для передачи запросов к драйверу от его клиентов. Они являются структурами данных переменной длины, и состоят из стандартного заголовка, содержащего общую учетную информацию, и одного или нескольких блоков параметров, называемых ячейками стека ввода / вывода (I/O Stack Location).