Windows 中的 USB 主机端驱动程序
本文概述了通用串行总线（USB）驱动程序堆栈体系结构。
下图显示了适用于 Windows 的 USB 驱动程序堆栈的体系结构块图。 此图显示了 USB 2.0 和 USB 3.0 的单独 USB 驱动程序堆栈。 当设备连接到 xHCI 控制器时，Windows 会加载 USB 3.0 驱动程序堆栈。
Windows 为连接到 eHCI、oHCI 或 uHCI 控制器的设备加载 USB 2.0 驱动程序堆栈。 USB 2.0 驱动程序堆栈随附在 Windows XP 中，附带 Service Pack 1（SP1）和更高版本的 Windows 操作系统。
USB 3.0 驱动程序堆栈
Microsoft使用内核模式驱动程序框架 （KMDF） 接口创建了 USB 3.0 驱动程序。 KMDF 驱动程序模型可降低复杂性并提高稳定性。
USB 3.0 主机控制器驱动程序（Usbxhci.sys）
xHCI 驱动程序是 USB 3.0 主机控制器驱动程序。 xHCI 驱动程序的职责包括初始化 xHCI 控制器硬件的 MMIO 寄存器和基于内存的数据结构、将来自上层驱动程序的传输请求映射到传输请求块，以及将请求提交到硬件。 完成传输后，驱动程序处理来自硬件的传输完成事件，并将事件传播到驱动程序堆栈上。 它还控制 xHCI 控制器设备槽和终结点上下文。
Windows 将 xHCI 驱动程序作为主机控制器的设备堆栈中的函数设备对象（FDO）加载。
USB 主机控制器扩展（Ucx01000.sys）
USB 主机控制器扩展驱动程序（KMDF 的扩展）是基础类特定的主机控制器驱动程序（例如 xHCI 驱动程序）的新扩展。 新驱动程序可扩展，旨在支持将来要开发的其他类型的主机控制器驱动程序。 USB 主机控制器扩展充当中心驱动程序的通用抽象接口，提供一种通用机制，用于将请求排队到主机控制器驱动程序，并替代某些选定的函数。 由上层驱动程序启动的所有 I/O 请求在 xHCI 驱动程序之前到达主机控制器扩展驱动程序。 收到 I/O 请求后，主机控制器扩展将验证请求，然后将请求转发到与目标终结点关联的正确 KMDF 队列。 xHCI 驱动程序在准备好进行处理时从队列中检索请求。 USB 主机控制器扩展驱动程序的职责包括：
- 向 xHCI 驱动程序提供特定于 USB 的对象。
- 向 xHCI 驱动程序提供 KMDF 事件回调例程。
- 管理和控制与主机控制器关联的根中心的操作。
- 实现客户端驱动程序可配置的功能，如链接的 MDL、流等。
USB 中心驱动程序 （Usbhub3.sys）
适用于 3.0 设备的 USB 驱动程序堆栈中的新中心驱动程序使用 KMDF 驱动程序模型。 中心驱动程序主要执行以下任务：
- 管理 USB 中心及其端口。
- 枚举附加到其下游端口的设备和其他中心。
- 为枚举设备和中心创建物理设备对象（PDO）。
Windows 将中心驱动程序作为 FDO 加载到中心设备堆栈中。 新驱动程序中的设备枚举和中心管理通过一组状态机实现。 中心驱动程序依赖于 KMDF 进行电源管理和 PnP 功能。 除了中心管理之外，中心驱动程序还对 USB 客户端驱动程序层发送的某些请求执行初步检查和处理。 例如，中心驱动程序分析选择配置请求，以确定请求将配置哪些终结点。 分析信息后，中心驱动程序会将请求提交到 USB 主机控制器扩展或进一步处理。
USB 2.0 驱动程序堆栈
Windows 为连接到 eHCI、oHCI 或 uHCI 控制器的设备加载 USB 2.0 驱动程序堆栈。 USB 2.0 驱动程序堆栈中的驱动程序随 SP1 和更高版本的 Windows 操作系统一起随附在 Windows XP 中。 USB 2.0 驱动程序堆栈旨在促进 USB 2.0 规范中定义的高速 USB 设备。
USB 驱动程序堆栈底部是主机控制器驱动程序。 它由端口驱动程序、Usbport.sys和一个或多个并发运行的三个微型端口驱动程序组成。 当系统检测到主机控制器硬件时，它会加载其中一个微型端口驱动程序。 加载微型端口驱动程序后，Usbport.sys加载端口驱动程序。 端口驱动程序处理主机控制器驱动程序职责中独立于特定协议的这些方面。
Usbuhci.sys（通用主机控制器接口）微型端口驱动程序取代了 Windows 2000 随附的Uhcd.sys微型类驱动程序。 Usbohci.sys（打开的主机控制器接口）微型端口驱动程序取代了Openhci.sys。 Usbehci.sys微型端口驱动程序支持高速 USB 设备，并在 Windows XP 中引入了 SP1 及更高版本和 Windows Server 2003 及更高版本的操作系统。
在所有支持 USB 2.0 的 Windows 版本中，操作系统能够同时管理 USB 1.1 和 USB 2.0 主机控制器。 每当操作系统检测到这两种类型的控制器都存在时，它都会创建两个单独的设备节点，每个主机控制器各创建一个。 Windows 随后根据系统配置，为符合 USB 2.0 的主机控制器硬件加载Usbehci.sys微型端口驱动程序，并根据系统配置为符合 USB 1.1 的硬件Usbohci.sys或Openhci.sys。
端口驱动程序上方是 USB 总线驱动程序，Usbhub.sys，也称为中心驱动程序。 这是系统上每个中心的设备驱动程序。
USB 通用类泛型父驱动程序 （Usbccgp.sys）
USB 通用类泛型父驱动程序是复合设备的Microsoft提供的父驱动程序。 如果 deviceClass 为 0 或 0xef，并且 numInterfaces 在设备描述符中大于 1，则中心驱动程序将枚举并加载父复合驱动程序。 中心驱动程序将父复合驱动程序的兼容 ID 生成为“USB\COMPOSITE”。 Usbccgp.sys使用 Windows 驱动程序模型 （WDM） 例程。
父复合驱动程序枚举复合设备中的所有函数，并为每个函数创建 PDO。 这会导致为设备中的每个函数加载相应的类或客户端驱动程序。 每个函数驱动程序（子 PDO）都会向父驱动程序发送请求，这会将请求提交到 USB 中心驱动程序。
Windows XP 附带了 SP1 和更高版本的 Windows 操作系统Usbccgp.sys。 在 Windows 8 中，驱动程序已更新，以实现 USB 3.0 规范中定义的函数挂起和远程唤醒功能。
有关详细信息，请参阅 USB 泛型父驱动程序 (Usbccgp.sys)。
WinUSB (Winusb.sys)
Windows USB（WinUSB）是适用于 USB 设备的Microsoft通用驱动程序。 WinUSB 体系结构由内核模式驱动程序（Winusb.sys）和用户模式动态链接库（Winusb.dll）组成。 对于不需要自定义功能驱动程序的设备，Winusb.sys 可作为功能驱动程序安装在设备的内核模式堆栈中。 然后，用户模式进程可以使用一组设备 I/O 控制请求或通过调用 WinUsb_Xxx函数来与Winusb.sys 通信。 有关详细信息，请参阅 面向开发人员的 WinUSB 简介。
在 Windows 8 中，WinUSB、Winusb.inf 的Microsoft提供的信息（INF）文件包含 USB\MS_COMP_WINUSB作为设备标识符字符串。 这允许Winusb.sys自动加载为 MS OS 描述符中具有匹配 WinUSB 兼容 ID 的设备的功能驱动程序。 此类设备称为 WinUSB 设备。 硬件制造商不需要为其 WinUSB 设备分发 INF 文件，从而使最终用户的驱动程序安装过程更简单。 有关详细信息，请参阅 WinUSB 设备。
USB 客户端驱动程序
每个 USB 设备（复合或非复合设备）都由客户端驱动程序管理。 USB 客户端驱动程序是作为 USB 驱动程序堆栈客户端的类或设备驱动程序。 此类驱动程序包括来自Microsoft或第三方供应商的类和设备特定的驱动程序。 若要查看Microsoft提供的类驱动程序列表，请参阅 支持的 USB 设备类的驱动程序。 客户端驱动程序通过调用 USB 驱动程序堆栈公开的公共接口来创建与设备通信的请求。
复合设备的客户端驱动程序与非复合设备的客户端驱动程序不同，但驱动程序堆栈中的位置除外。
非复合设备的客户端驱动程序直接分层在中心驱动程序上方。
对于公开多个函数且没有父类驱动程序的复合 USB 设备，Windows 会在中心驱动程序和客户端驱动程序层之间加载 USB 通用父驱动程序（Usbccgp.sys）。 父驱动程序为复合设备的每个函数创建单独的 PDO。 客户端驱动程序（用于函数的 FDO）在通用父驱动程序上方加载。 供应商可能会选择为每个函数提供单独的客户端驱动程序。
USB 客户端驱动程序可以在用户模式或内核模式下运行，具体取决于驱动程序的要求。 可以使用 KMDF、UMDF 或 WDM 例程编写 USB 客户端驱动程序。
客户端驱动程序的帮助程序库
Microsoft提供以下帮助程序库来帮助内核模式驱动程序和应用程序与 USB 驱动程序堆栈通信：
Usbd.sys
Microsoft提供导出 USB 客户端驱动程序例程的Usbd.sys库。 帮助程序例程简化了客户端驱动程序的操作任务。 例如，通过使用帮助程序例程，USB 客户端驱动程序可以针对某些特定操作（例如选择配置）生成 USB 请求块（URB）， 并将这些 URB 提交到 USB 驱动程序堆栈。
Usbdex.lib
此帮助程序库是 Windows 8 的新增功能。 库导出例程主要用于分配和生成 URB。 这些例程取代了Usbd.sys导出的一些旧例程。 新例程要求客户端驱动程序向 USB 驱动程序堆栈注册，该堆栈维护注册句柄。 该句柄用于调用其他 Usbdex.lib 例程。 由新例程分配的某些 URI 具有 USB 驱动程序用于更好地跟踪和处理的 URB 上下文。 有关详细信息，请参阅 分配和生成 URB。
Winusb.dll
Winusb.dll是一个用户模式 DLL，它公开 用于与 Winusb.sys 通信的 WinUSB 函数 ，该函数在内核模式下作为设备的功能驱动程序加载。 应用程序使用这些函数配置设备、检索有关设备的信息以及执行 I/O 操作。 有关使用这些函数的信息，请参阅 如何使用 WinUSB 函数访问 USB 设备。