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標題: USB HID 設備通信詳解 [打印本頁]

作者: yancolor 時間: 2018-7-26 10:36
標題: USB HID 設備通信詳解
Windows 主機端與自定義 USB HID 設備通信詳解
說明：
- 以下結論都是基于 Windows XP 系統所得出的，不保證在其他系統的適用性。
- 在此討論的是 HID 自定義設備，對于標準設備，譬如 USB 鼠標和鍵盤，由于操作系統對
其獨占，許多操作未必能正確執行。
1 ．所使用的典型 Windows API
CreateFile
ReadFile
WriteFile
以下函數是 DDK 的內容：
HidD_SetFeature
HidD_GetFeature
HidD_SetOutputReport
HidD_GetInputReport
其中， CreateFile 用于打開設備； ReadFile 、 HidD_GetFeature 、 HidD_GetInputRep
ort 用于設備到主機方向的數據通信； WriteFile 、 HidD_SetFeature 、 HidD_SetOutput
Report 用于主機到設備方向的數據通信。鑒于實際應用，后文主要討論 CreateFile ， Write
File ， ReadFile ， HidD_SetFeature 四個函數，明白了這四個函數，其它的可以類推之。
2 ．幾個常見錯誤
當使用以上 API 時，如果操作失敗，調用 GetLastError() 會得到以下常見錯誤：
6 ：句柄無效
23 ：數據錯誤（循環冗余碼檢查）
87 ：參數錯誤
1784 ：用戶提供的 buffer 無效
后文將會詳細說明這些錯誤情況。
3．主機端設備枚舉程序流程
4．函數使用說明
CreateFile(devDetail->DevicePath, // 設備路徑
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 訪問方式
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, // 共享模式
NULL,
OPEN_EXISTING, // 文件不存在時，返回失敗
FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 以重疊（異步）模式打
開
NULL);
在這里， CreateFile 用于打開 HID 設備，其中設備路徑通過函數 SetupDiGetInterfaceDe
viceDetail 取得。 CreateFile 有以下幾點需要注意：
- 訪問方式：如果是系統獨占設備，例如鼠標、鍵盤等等，應將此參數設置為 0 ，否則后續
函數操作將失敗（譬如 HidD_GetAttributes ）；也就是說，不能對獨占設備進行除了查詢以
外的任何操作，所以能夠使用的函數也是很有限的，下文的一些函數并不一定適合這些設備。在
此順便列出 MSDN 上關于此參數的說明：
If this parameter is zero, the application can query file and device attributes
without accessing the device. This is useful if an application wants to determin
e the size of a floppy disk drive and the formats it supports without requiring
a floppy in the drive. It can also be used to test for the file's or directory's ex
istence without opening it for read or write access。
- 重疊（異步）模式：此參數并不會在此處表現出明顯的意義，它主要是對后續的 WriteFil
e ， ReadFile 有影響。如果這里設置為重疊（異步）模式，那么在使用 WriteFile ， ReadFi
le 時也應該使用重疊（異步）模式，反之亦然。這首先要求 WriteFile ， ReadFile 的最后一
個參數不能為空（NULL ）。否則，便會返回 87 （參數錯誤）錯誤號。當然， 87 號錯誤并
不代表就是此參數不正確，更多的信息將在具體講述這兩個函數時指出。此參數為 0 時，代表
同步模式，即 WriteFile ， ReadFile 操作會在數據處理完成之后才返回，否則阻塞在函數內
部。

ReadFile(hDev,	// 設備句柄，即 CreateFile 的返回值
recvBuffer,	// 用于接收數據的 buffer
IN_REPORT_LEN,	// 要讀取數據的長度
&recvBytes,	// 實際收到的數據的字節數
&ol);	// 異步模式
在這里， ReadFile 用于讀取 HID 設備通過中斷 IN 傳輸發來的輸入報告	。有以下幾點要注意：

1 、 ReadFile 的調用不會引起設備的任何反應，即 HID 設備與主機之間的中斷 IN 傳輸不與 R
eadFile 打交道。實際上主機會在最大間隔時間（由設備的端點描述符來指定）內輪詢設備，發
出中斷 IN 傳輸的請求。“讀取” 即意味著從某個 buffer 里面取回數據，實際上這個 buffer 就
是 HID 設備驅動中的 buffer 。這個 buffer 的大小可以通過 HidD_SetNumInputBuffer
s 來改變。在 XP 上缺省值是 32 （個報告）。
2 、讀取的數據對象是輸入報告，也即通過中斷輸入管道傳入的數據。所以，如果設備不支持中
斷 IN 傳輸，那么是無法使用此函數來得到預期結果的。實際上這種情況不可能在 HID 中出現，
因為協議指明了至少要有一個中斷 IN 端點。
3 、 IN_REPORT_LEN 代表要讀取的數據的長度（實際的數據正文 + 一個 byte 的報告 ID ），
這里是一個常數，主要是因為設備固件的信息我是完全知道的，當然知道要讀取多少數據（也就
是報告的長度）；不過也可以通過另外的函數（HidD_GetPreparsedData ）來事先取得報告
的長度，這里不做詳細討論。因為很難想象在不了解固件信息的情況下來做自定義設備的 HI
D 通信，在實際應用中一般來說就是固件與 PC 程序匹配著來開發。此參數如果設置過大，不
會有實質性的錯誤，在 recvBytes 參數中會輸出實際讀到的長度；如果設置過小，即小于報告
的長度，會返回 1784 號錯誤（用戶提供的 buffer 無效）。
4 、關于異步模式。前面已經提過，此參數的設置必須與 CreateFile 時的設置相對應，否則會
返回 87 號錯誤（參數錯誤）。如果不需要異步模式，此參數需置為 NULL 。在這種情況下， R
eadFile 會一直等待直到數據讀取成功，所以會阻塞住程序的當前過程。

WriteFile(hDev,	// 設備句柄，即 CreateFile 的返回值
reportBuf,	// 存有待發送數據的 buffer
OUT_REPORT_LEN,	// 待發送數據的長度
&sendBytes,	// 實際收到的數據的字節數
&ol);	// 異步模式

在這里， WriteFile 用于傳輸一個輸出報告給 HID 設備。有以下幾點要注意：
1、與 ReadFile 不同， WriteFile 函數被調用后，雖然也是經過驅動程序，但是最終會反映
到設備中。也就是說，調用 WriteFile 后，設備會接收到輸出報告的請求。如果設備使用了中
斷 OUT 傳輸，則 WriteFile 會通過中斷 OUT 管道來進行傳輸；否則會使用 SetReport 請求
通過控制管道來傳輸。
2、 OUT_REPORT_LEN 代表要寫入的數據長度（實際的數據正文 + 一個 byte 的報告 ID ）。
如果大于實際報告的長度，則使用實際報告長度；如果小于實際報告長度，會返回 1784 號錯
誤（用戶提供的 buffer 無效）。
3、 reportBuf [0] 必須存有待發送報告的 ID ，并且此報告 ID 指示的必須是輸出報告，否則
會返回 87 號錯誤（參數錯誤）。這種情況可能容易被程序員忽略，結果不知錯誤號所反映的是
什么，網上也經常有類似疑問的帖子。順便指出，輸入報告、輸入報告、特征報告這些報告類型，
是反映在 HID 設備的報告描述符中。后文將做舉例討論。
4、關于異步模式。前面已經提過，此參數的設置必須與 CreateFile 時的設置相對應，否則會
返回 87 號錯誤（參數錯誤）。如果不需要異步模式，此參數需置為 NULL 。在這種情況下， W
riteFile 會一直等待直到數據讀取成功，所以會阻塞住程序的當前過程。

HidD_SetFeature(hDev,	// 設備句柄，即 CreateFile 的返回值
reportBuf,	// 存有待發送數據的 buffer
FEATURE_REPORT_LEN);	//buffer 的長度
HidD_SetOutputReport(hDev,	// 設備句柄，即 CreateFile 的返回值
reportBuf,	// 存有待發送數據的 buffer
OUT_REPORT_LEN);	//buffer 的長度

HidD_SetFeature 發送一個特征報告給設備， HidD_ SetOutputReport 發送一個輸出報
告給設備。注意以下幾點：
1、跟 WriteFile 類似，必須在 reportBuf [0] 中指明要發送的報告的 ID ，并且和各自適合
的類型相對應。也就是說， HidD_SetFeature 只能發送特征報告，因此報告 ID 必須是特征
報告的 ID ； HidD_SetOutputReport 只能發送輸出報告，因此報告 ID 只能是輸出報告的 I
D 。
2、這兩個函數最常返回的錯誤代碼是 23 （數據錯誤）。包括但不僅限于以下情況：
- 報告 ID 與固件描述的不符。
- 傳入的 buffer 長度少于固件描述的報告的長度。
據有關資料反映（非官方文檔），只要是驅動程序對請求無反應，都會產生此錯誤。
5．常見錯誤匯總
- HID ReadFile
- Error Code 6 (handle is invalid)
傳入的句柄無效
- Error Code 87 ( 參數錯誤 )
很可能是 createfile 時聲明了異步方式，但是讀取時按同步讀取。
- Error Code 1784 ( 用戶提供的 buffer 無效 ):
傳參時傳入的“讀取 buffer 長度” 與實際的報告長度不符。
- HID WriteFile
- Error Code 6 (handle is invalid)
傳入的句柄無效
- Error Code 87 （參數錯誤）
- CreateFile 時聲明的同步 / 異步方式與實際調用 WriteFile 時傳入的不同。
- 報告 ID 與固件中定義的不一致（buffer 的首字節是報告 ID ）
- Error Code 1784 ( 用戶提供的 buffer 無效 )
傳參時傳入的“寫入 buffer 長度” 與實際的報告長度不符。
- HidD_SetFeature
- HidD_SetOutputReport
- Error Code 1 (incorrect function)
不支持此函數，很可能是設備的報告描述符中未定義這樣的報告類型（輸入、輸出、特征）
- Error Code 6 (handle is invalid)
傳入的句柄無效
- Error Code 23 （數據錯誤（循環冗余碼檢查））
- 報告 ID 與固件中定義的不相符（buffer 的首字節是報告 ID ）
- 傳入的 buffer 長度少于固件定義的報告長度（報告正文 +1byte, 1byte 為報告 ID ）
- 據相關資料反映（非官方文檔），只要是驅動程序不接受此請求（對請求無反應），都會
產生此錯誤
6．報告描述符及數據通信程序示例
報告描述符（注意表中的每個數據都占 1 個字節）：
const uint8_t CustomHID_ReportDescriptor[CUSTOMHID_SIZ_REPORT_DESC] =
{
0x05, 0x8c, /* USAGE_PAGE (ST Page) */
0x09, 0x01, /* USAGE (Demo Kit) */
0xa1, 0x01, /* COLLECTION (Application) */
// The Input report
0x09,0x03, // USAGE ID - Vendor defined
0x15,0x00, // LOGICAL_MINIMUM (0)
0x26,0x00, 0xFF, // LOGICAL_MAXIMUM (255)
0x75,0x08, // REPORT_SIZE (8bit)
0x95,0x40, // REPORT_COUNT (64Byte)
0x81,0x02, // INPUT (Data,Var,Abs)
// The Output report
0x09,0x04, // USAGE ID - Vendor defined
0x15,0x00, // LOGICAL_MINIMUM (0)
0x26,0x00,0xFF, // LOGICAL_MAXIMUM (255)
0x75,0x08, // REPORT_SIZE (8bit)
0x95,0x40, // REPORT_COUNT (64Byte)
0x91,0x02, // OUTPUT (Data,Var,Abs)
0xc0 /* END_COLLECTION */
}; /* CustomHID_ReportDescriptor */
下面用一個簡單的示例來描述 PC 端與 USB HID 設備進行通信的一般方法。
void HIDSampleFunc()
{
HANDLE hDev;
BYTE recvDataBuf[1024];
BYTE reportBuf[1024];
DWORD bytes;
hDev = OpenMyHIDDevice(0); // 打開設備，不使用重疊（異步）方式 ;
if (hDev == INVALID_HANDLE_VALUE){
printf("INVALID_HANDLE_VALUE\n");
return;
}
reportBuf[0] = 0; // 輸出報告的報告 ID 是 0
for(int i=0;i<REPORT_COUNT;i++){
reportBuf[i+1]=i+1;
}
if (!WriteFile(hDev, reportBuf, REPORT_COUNT+1, &bytes, NULL)){// 寫入數據到設備
printf("write data error! %d\n",GetLastError());
return;
}
if(!ReadFile(hDev, recvDataBuf, REPORT_COUNT+1, &bytes, NULL)){ // 讀取設備發給主機的數據
printf("read data error! %d\n",GetLastError());
return;
}
for(int i=0;i<REPORT_COUNT;i++){
printf("0x%02X ",recvDataBuf[i+1]);
}
printf("\n\r");
}
HANDLE OpenMyHIDDevice(int overlapped)
{
HANDLE hidHandle;
GUID hidGuid;
HidD_GetHidGuid(&hidGuid);
HDEVINFO hDevInfo = SetupDiGetClassDevs(&hidGuid,NULL,NULL,(DIGCF_PRESENT |
DIGCF_DEVICEINTERFACE));
if (hDevInfo == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
return INVALID_HANDLE_VALUE;
}
SP_DEVICE_INTERFACE_DATA devInfoData;
devInfoData.cbSize = sizeof (SP_DEVICE_INTERFACE_DATA);
int deviceNo = 0;
SetLastError(NO_ERROR);
while (GetLastError() != ERROR_NO_MORE_ITEMS)
{
if (SetupDiEnumInterfaceDevice (hDevInfo,0,&hidGuid,deviceNo,&devInfoData))
{
ULONG requiredLength = 0;
SetupDiGetInterfaceDeviceDetail(hDevInfo,
&devInfoData,
NULL,
0,
&requiredLength,
NULL);
PSP_INTERFACE_DEVICE_DETAIL_DATA devDetail =
(SP_INTERFACE_DEVICE_DETAIL_DATA*)malloc(requiredLength);
devDetail->cbSize = sizeof(SP_INTERFACE_DEVICE_DETAIL_DATA);
if(!SetupDiGetInterfaceDeviceDetail(hDevInfo,
&devInfoData,
devDetail,
requiredLength,
NULL,
NULL))
{
free(devDetail);
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
return INVALID_HANDLE_VALUE;
}
if (overlapped)
{
hidHandle = CreateFile(devDetail->DevicePath,
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
FILE_FLAG_OVERLAPPED,
NULL);
}
else
{
hidHandle = CreateFile(devDetail->DevicePath,
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
0,
NULL);
}
free(devDetail);
if (hidHandle==INVALID_HANDLE_VALUE)
{
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
free(devDetail);
return INVALID_HANDLE_VALUE;
}
_HIDD_ATTRIBUTES hidAttributes;
if(!HidD_GetAttributes(hidHandle, &hidAttributes))
{
CloseHandle(hidHandle);
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
return INVALID_HANDLE_VALUE;
}
if (USB_VID == hidAttributes.VendorID
&& USB_PID == hidAttributes.ProductID)
{
printf("找到了我想要的設備，哈哈哈....\n");
break;
}
else
{
CloseHandle(hidHandle);
++deviceNo;
}
}
}
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
return hidHandle;
}

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