前言

USB接口作為PC上最流行和通用的接口，具備可連接多種類型的設(shè)備，連接簡單，即插即用，支持熱插撥，多數(shù)應(yīng)用場景下不需要提供獨(dú)立的電源，高傳輸速率，高可靠性等特點(diǎn)，被越來越多的產(chǎn)品作為首選接口作為接入PC的連接方式。為了簡化USB設(shè)備的開發(fā)和接入到PC系統(tǒng)，微軟開發(fā)了WinUSB，可以將Winusb．sys作為設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序安裝，并提供WinUSB API供應(yīng)用程序訪問設(shè)備。一直以來，除了USB HID設(shè)備，其他類型的設(shè)備在WINDOWS環(huán)境下需要安裝驅(qū)動(dòng)程序才能工作。要實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備免驅(qū)，就只能使用HID設(shè)備。而HID設(shè)備傳輸速度慢，在有些場合必須使用Bulk類型進(jìn)行批量傳輸時(shí)，就必須使用第三方驅(qū)動(dòng)或者自己開發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)，使得項(xiàng)目開發(fā)非常麻煩。現(xiàn)在好了，自從微軟推出了WinUSB，在微軟的最新操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)簡單的Bulk類型批量傳輸也變得非常的方便快捷，在研發(fā)過程當(dāng)中或者一些對于差異化要求不高的場合，是非常適用且容易實(shí)現(xiàn)的。本文致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡單的WinUSB通信系統(tǒng)，以滿足此類需求。

如何讓嵌入式設(shè)備枚舉成WinUSB設(shè)備

系統(tǒng)通過USB描述符來確定以何種USB Class類型來工作。如果希望WINDOWS能夠?qū)⑶度胧皆O(shè)備識(shí)別為WinUSB設(shè)備，則其描述符至少應(yīng)當(dāng)包含以下字段：

1、支持 OS 字符串描述符：

為了讓 USB 驅(qū)動(dòng)程序堆棧了解設(shè)備支持?jǐn)U展的特征描述符，設(shè)備必須定義存儲(chǔ)在字符串索引 0xEE 處的 OS 字符串描述符。在枚舉過程中，驅(qū)動(dòng)程序堆棧查詢字符串描述符。如果存在描述符，驅(qū)動(dòng)程序堆棧會(huì)假定設(shè)備包含一個(gè)或多個(gè) OS 特征描述符和檢索這些特征描述符所需要的數(shù)據(jù)。檢索的字符串描述符具有 bMS＿VendorCode 字段值。該值為1表示USB驅(qū)動(dòng)程序堆棧必須用來檢索擴(kuò)展特征描述符的供應(yīng)商代碼。

＃define bMS＿VendorCode              （ 0x01 ）

／／ ＂MSFT100＂ ： index ： 0xEE ： langId ： 0x0000

const U8 OS＿StringDescritpor［ ］ ＝

｛ 0x12，  0x03，  ＇M＇，  0，  ＇S＇，  0，  ＇F＇，  0，  ＇T＇，  0，  ＇1＇，  0，  ＇0＇，  0，  ＇0＇，  0，  bMS＿VendorCode，  0 ｝；

2、設(shè)置兼容ID特征描述符：

const U8 WINUSB＿ExtendedCompatId＿Descritpor［ ］ ＝

｛

0x28， 0x00， 0x00， 0x00，           ／／ dwLength

0x00， 0x01，                             ／／ bcdVersion

0x04， 0x00，                             ／／ wIndex

0x01，                                       ／／ bCount

0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00，       ／／ Reserved［7］

0x00，                   ／／ bFirstInterfaceNumber

0x01，                  ／／ RESERVED （ 0x01 ）

＇W＇， ＇I＇， ＇N＇， ＇U＇， ＇S＇， ＇B＇， 0x00， 0x00，       ／／ compactiableID［8］

0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， ／／ subCompactiableID［8］

0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00   ／／ Reserved［6］

｝；

注：WinUSB還支持復(fù)合設(shè)備，對于單一傳輸類型最簡系統(tǒng)，我們忽略復(fù)合設(shè)備的要求即可。compatibleID字段必須指定 ＂WINUSB＂ 作為字段值。其他可以根據(jù)需求更改。

3、注冊設(shè)備接口 GUID描述符：

該描述符用于區(qū)分不同的WinUSB設(shè)備。

const U8 WINUSB＿ExtendedProperty＿InterfaceGUID＿Descritpor［ ］ ＝

｛

0x8E， 0x00， 0x00， 0x00，  ／／ dwTotalSize ＝ Header ＋ All sections

0x00， 0x01，                 ／／ bcdVersion

0x05， 0x00，                 ／／ wIndex

0x01， 0x00，                 ／／ wCount

0x84， 0x00， 0x00， 0x00，     ／／ dwSize －－ this section

0x01， 0x00， 0x00， 0x00，     ／／ dwPropertyDataType

0x28， 0x00，               ／／ wPropertyNameLength  ＇D＇，0，＇e＇，0，＇v＇，0，＇i＇，0，＇c＇，0，＇e＇，0，＇I＇，0，＇n＇，0x00，＇t＇，0，＇e＇，0，＇r＇，0，＇f＇，0，＇a＇，0，＇c＇，0，＇e＇，0， ＇G＇，0，＇U＇，0，＇I＇，0，＇D＇，0，0，0，

0x4E， 0x00， 0x00， 0x00，     ／／ dwPropertyDataLength ： 78 Bytes ＝ 0x0000004E

＇｛＇，0，＇1＇，0，＇2＇，0，＇3＇，0，＇4＇，0， ＇5＇，0，＇6＇，0，＇7＇，0，＇8＇，0，＇－＇，0，＇1＇，0，＇2＇，0，＇3＇，0，＇4＇，0，＇－＇，0，＇1＇，0，＇3＇，0，＇4＇，0，＇4＇，0，＇－＇，0，＇1＇，0，＇2＇，0，＇3＇，0，＇4＇，0，＇－＇，0，＇1＇，0，＇2＇，0，＇3＇，0，＇4＇，0，＇5＇，0，＇6＇，0，＇7＇，0，＇8＇，0，＇9＇，0，＇A＇，0，＇B＇，0，＇C＇，0，＇｝＇，0，0，0

｝；／／ bPropertyData ： WCHAR ： L＂｛12345678－1234－1234－1234－123456789ABC｝＂

4、端點(diǎn)描述符：

按實(shí)際的需求的配置端點(diǎn)數(shù)量和類型，即可完成嵌入式設(shè)備的描述符配置了。

一般固件程序可以通過MCU廠家提供的范例程序進(jìn)行修改，這里省略USB固件功能的說明。只要包含以上三個(gè)描述符中的必須的字段，就可以成功枚舉成USB Device。枚舉成功后在設(shè)備WINDOWS設(shè)備管理器中可看到類似設(shè)備，如下圖1所示

圖1 成功枚舉為USB Device

如何編寫PC應(yīng)用程序與嵌入式設(shè)備進(jìn)行USB通信

PC機(jī)軟件相對來說比較簡單，并且微軟官方也給出了示例代碼。唯一需要注意的是，對應(yīng)的軟件程序獲取WinUSB設(shè)備句柄的GUID參數(shù)，需要與嵌入式設(shè)備的描述符中的GUID保持一致。GUID是WinUSB用以區(qū)分設(shè)備的唯一標(biāo)志。GUID，是Globally Unique Identifier的簡稱，翻譯為全局唯一標(biāo)識(shí)符，是一種由算法生成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，長度為128位的數(shù)字標(biāo)識(shí)符。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1、創(chuàng)建設(shè)備的文件句柄：

調(diào)用SetupDiGetClassDevs 獲取設(shè)備信息集的句柄；

調(diào)用 SetupDiEnumDeviceInterfaces 枚舉設(shè)備信息集中的設(shè)備接口并獲取有關(guān)設(shè)備接口的信息；

調(diào)用 SetupDiGetDeviceInterfaceDetail 獲取設(shè)備接口的詳細(xì)信息，所獲取的信息通過SP＿DEVICE＿INTERFACE＿DETAIL＿DATA結(jié)構(gòu)返回。由于該結(jié)構(gòu)大小無法提前獲取，故需連續(xù)兩次調(diào)用該函數(shù)，第二次調(diào)用時(shí)接口詳細(xì)信息將填充到根據(jù)第一次調(diào)用返回值所確定大小的該緩沖區(qū)，通過緩沖內(nèi)該結(jié)構(gòu)的DevicePath成員中可獲得“設(shè)備路徑”。

2、獲取設(shè)備的 WinUSB 接口句柄：

調(diào)用 WinUsb＿Initialize通過傳遞在創(chuàng)建設(shè)備的文件句柄中創(chuàng)建的文件句柄。

3、查詢設(shè)備以獲取 USB 描述符：

接下來，查詢設(shè)備以獲取特定于 USB 的信息，如設(shè)備速度、接口描述符、相關(guān)端點(diǎn)及其管道。調(diào)用 WinUsb＿QueryDeviceInformation 從設(shè)備的設(shè)備描述符請求信息。調(diào)用 WinUsb＿QueryInterfaceSettings 并傳遞設(shè)備的接口句柄，以獲得對應(yīng)的接口描述符。調(diào)用 WinUsb＿QueryPipe 獲取有關(guān)每個(gè)接口每個(gè)終結(jié)點(diǎn)的信息。此步驟不是必須的，因?yàn)槎它c(diǎn)方向及傳輸特性由嵌入式設(shè)備描述符決定，是已知的。

4、向默認(rèn)端點(diǎn)發(fā)送控制傳輸：

此步驟也不是必須的。一般都不通過默認(rèn)端點(diǎn)發(fā)送有效載荷。

5、發(fā)送 I／O 請求：

將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備的批量輸入和批量輸出端點(diǎn)，這些端點(diǎn)點(diǎn)可分別用于讀取請求和寫入請求。調(diào)用 WinUsb＿ReadPipe 從設(shè)備的批量輸入端點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用 WinUsb＿WritePipe 通過批量輸出端點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。在嵌入式設(shè)備的輸出端點(diǎn)內(nèi)寫入數(shù)據(jù)之后，就可以在PC端讀出數(shù)據(jù)。反之，如果在PC端對嵌入式設(shè)備的輸入端點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)，則嵌入式設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一個(gè)USB端點(diǎn)寫入事件，具體如何捕捉該事件，則由MCU廠家的產(chǎn)品硬件決定，產(chǎn)生相應(yīng)的中斷信息，供中斷服務(wù)程序來判斷。一般而言，芯片廠家會(huì)提供MCU的USB通信基礎(chǔ)范例程序，在其基礎(chǔ)上做簡單的修改和適配即可。

6、釋放設(shè)備句柄

在完成對設(shè)備的所有必要的調(diào)用之后，釋放設(shè)備的文件句柄和 WinUSB 接口句柄。CloseHandle 釋放由 CreateFile 創(chuàng)建的句柄。

WinUsb＿Free 釋放由 WinUsb＿Initialize 返回的設(shè)備的 WinUSB 接口句柄。

至此，已經(jīng)完成了嵌入式設(shè)備端固件的USB代碼移植和PC端應(yīng)用程序的編寫，就可以實(shí)現(xiàn)USB免驅(qū)設(shè)備的通信方式了。