Windows主机端与自定义USB HID设备通信详解 收藏
Windows主机端与自定义USB HID设备通信详解
说明:
- 以下结论都是基于 Windows XP 系统所得出的,不保证在其他系统的适用性。
- 在此讨论的是 HID 自定义设备,对于标准设备,譬如 USB 鼠标和键盘,由于操作系统对其独占,许多操作未必能正确执行。
1 . 所使用的典型 Windows API
CreateFile
ReadFile
WriteFile
以下函数是 DDK 的内容:
HidD_SetFeature
HidD_GetFeature
HidD_SetOutputReport
HidD_GetInputReport
其中, CreateFile 用于打开设备; ReadFile 、 HidD_GetFeature 、 HidD_GetInputReport 用于设备到主机方向的数据通信; WriteFile 、 HidD_SetFeature 、 HidD_SetOutputReport 用于主机到设备方向的数据通信。鉴于实际应用,后文主要讨论 CreateFile , WriteFile , ReadFile , HidD_SetFeature 四个函数,明白了这四个函数,其它的可以类推之。
2 . 几个常见错误
当使用以上 API 时,如果操作失败,调用 GetLastError() 会得到以下常见错误:
6 : 句柄无效
23 : 数据错误(循环冗余码检查)
87 : 参数错误
1784 : 用户提供的 buffer 无效
后文将会详细说明这些错误情况。
3. 主机端设备枚举程序流程
4. 函数使用说明
CreateFile(devDetail->DevicePath, // 设备路径
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 访问方式
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, // 共享模式
NULL,
OPEN_EXISTING, // 文件不存在时,返回失败
FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 以重叠(异步)模式打开
NULL);
在这里, CreateFile 用于打开 HID 设备,其中设备路径通过函数 SetupDiGetInterfaceDeviceDetail 取得。 CreateFile 有以下几点需要注意:
- 访问方式: 如果是系统独占设备,例如鼠标、键盘等等,应将此参数设置为 0 ,否则后续函数操作将失败(譬如 HidD_GetAttributes );也就是说,不能对独占设备进行除了查询以外的任何操作,所以能够使用的函数也是很有限的,下文的一些函数并不一定适合这些设备。在此顺便列出 MSDN 上关于此参数的说明:
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 determine 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 existence without opening it for read or write access 。
- 重叠(异步)模式:此参数并不会在此处表现出明显的意义,它主要是对后续的 WriteFile , ReadFile 有影响。如果这里设置为重叠(异步)模式,那么在使用 WriteFile , ReadFile 时也应该使用重叠(异步)模式,反之亦然。这首先要求 WriteFile , ReadFile 的最后一个参数不能为空( NULL )。否则,便会返回 87 (参数错误)错误号。当然, 87 号错误并不代表就是此参数不正确,更多的信息将在具体讲述这两个函数时指出。此参数为 0 时,代表同步模式,即 WriteFile , ReadFile 操作会在数据处理完成之后才返回,否则阻塞在函数内部。
ReadFile(hDev, // 设备句柄,即 CreateFile 的返回值
recvBuffer, // 用于接收数据的 buffer
IN_REPORT_LEN, // 要读取数据的长度
&recvBytes, // 实际收到的数据的字节数
&ol); // 异步模式
在这里, ReadFile 用于读取 HID 设备通过中断 IN 传输发来的输入报告 。有以下几点要注意:
1 、 ReadFile 的调用不会引起设备的任何反应,即 HID 设备与主机之间的中断 IN 传输不与 ReadFile 打交道。实际上主机会在最大间隔时间(由设备的端点描述符来指定)内轮询设备,发出中断 IN 传输的请求。“读取”即意味着从某个 buffer 里面取回数据,实际上这个 buffer 就是 HID 设备驱动中的 buffer 。这个 buffer 的大小可以通过 HidD_SetNumInputBuffers 来改变。在 XP 上缺省值是 32 (个报告)。
2 、读取的数据对象是输入报告,也即通过中断输入管道传入的数据。所以,如果设备不支持中断 IN 传输,那么是无法使用此函数来得到预期结果的。实际上这种情况不可能在 HID 中出现,因为协议指明了至少要有一个中断 IN 端点。
3 、 IN_REPORT_LEN 代表要读取的数据的长度(实际的数据正文 + 一个 byte 的报告 ID ),这里是一个常数,主要是因为设备固件的信息我是完全知道的,当然知道要读取多少数据(也就是报告的长度);不过也可以通过另外的函数( HidD_GetPreparsedData )来事先取得报告的长度,这里不做详细讨论。因为很难想象在不了解固件信息的情况下来做自定义设备的 HID 通信,在实际应用中一般来说就是固件与 PC 程序匹配着来开发。此参数如果设置过大,不会有实质性的错误,在 recvBytes 参数中会输出实际读到的长度;如果设置过小,即小于报告的长度,会返回 1784 号错误(用户提供的 buffer 无效)。
4 、关于异步模式。前面已经提过,此参数的设置必须与 CreateFile 时的设置相对应,否则会返回 87 号错误(参数错误)。如果不需要异步模式,此参数需置为 NULL 。在这种情况下, ReadFile 会一直等待直到数据读取成功,所以会阻塞住程序的当前过程。
WriteFile(hDev, // 设备句柄,即 CreateFile 的返回值
reportBuf, // 存有待发送数据的 buffer
OUT_REPORT_LEN, // 待发送数据的长度
&sendBytes, // 实际收到的数据的字节数
&ol); // 异步模式
在这里, WriteFile 用于传输一个输出报告 给 HID 设备。有以下几点要注意:
1、 与 ReadFile 不同, WriteFile 函数被调用后,虽然也是经过驱动程序,但是最终会反映到设备中。也就是说,调用 WriteFile 后,设备会接收到输出报告的请求。如果设备使用了中断 OUT 传输,则 WriteFile 会通过中断 OUT 管道来进行传输;否则会使用 SetReport 请求通过控制管道来传输。
2、 OUT_REPORT_LEN 代表要写入的数据长度(实际的数据正文 + 一个 byte 的报告 ID )。如果大于实际报告的长度,则使用实际报告长度;如果小于实际报告长度,会返回 1784 号错误(用户提供的 buffer 无效)。
3、 reportBuf [0] 必须存有待发送报告的 ID ,并且此报告 ID 指示的必须是输出报告,否则会返回 87 号错误(参数错误)。这种情况可能容易被程序员忽略,结果不知错误号所反映的是什么,网上也经常有类似疑问的帖子。顺便指出,输入报告、输入报告、特征报告这些报告类型,是反映在 HID 设备的报告描述符中。后文将做举例讨论。
4、 关于异步模式。前面已经提过,此参数的设置必须与 CreateFile 时的设置相对应,否则会返回 87 号错误(参数错误)。如果不需要异步模式,此参数需置为 NULL 。在这种情况下, WriteFile 会一直等待直到数据读取成功,所以会阻塞住程序的当前过程。
HidD_SetFeature(hDev, // 设备句柄,即 CreateFile 的返回值
reportBuf, // 存有待发送数据的 buffer
FEATURE_REPORT_LEN); //buffer 的长度
HidD_SetOutputReport(hDev, // 设备句柄,即 CreateFile 的返回值
reportBuf, // 存有待发送数据的 buffer
OUT_REPORT_LEN); //buffer 的长度
HidD_SetFeature 发送一个特征报告 给设备, HidD_ SetOutputReport 发送一个输出报告 给设备。注意以下几点:
1、 跟 WriteFile 类似,必须在 reportBuf [0] 中指明要发送的报告的 ID ,并且和各自适合的类型相对应。也就是说, HidD_SetFeature 只能发送特征报告,因此报告 ID 必须是特征报告的 ID ; HidD_SetOutputReport 只能发送输出报告,因此报告 ID 只能是输出报告的 ID 。
2、 这两个函数最常返回的错误代码是 23 (数据错误)。包括但不仅限于以下情况:
- 报告 ID 与固件描述的不符。
- 传入的 buffer 长度少于固件描述的报告的长度。
据有关资料反映(非官方文档),只要是驱动程序对请求无反应,都会产生此错误。
5. 常见错误汇总
- HID ReadFile
- Error Code 6 (handle is invalid)
传入的句柄无效
- Error Code 87 ( 参数错误 )
很可能是 createfile 时声明了异步方式,但是读取时按同步读取。
- Error Code 1784 ( 用户提供的 buffer 无效 ):
传参时传入的“读取 buffer 长度”与实际的报告长度不符。
- HID WriteFile
- Error Code 6 (handle is invalid)
传入的句柄无效
- Error Code 87 (参数错误)
- CreateFile 时声明的同步 / 异步方式与实际调用 WriteFile 时传入的不同。
- 报告 ID 与固件中定义的不一致( buffer 的首字节是报告 ID )
- Error Code 1784 ( 用户提供的 buffer 无效 )
传参时传入的“写入 buffer 长度”与实际的报告长度不符。
- HidD_SetFeature
- HidD_SetOutputReport
- Error Code 1 (incorrect function)
不支持此函数,很可能是设备的报告描述符中未定义这样的报告类型(输入、输出、特征)
- Error Code 6 (handle is invalid)
传入的句柄无效
- Error Code 23 (数据错误(循环冗余码检查))
- 报告 ID 与固件中定义的不相符( buffer 的首字节是报告 ID )
- 传入的 buffer 长度少于固件定义的报告长度(报告正文 +1byte, 1byte 为报告 ID )
- 据相关资料反映(非官方文档),只要是驱动程序不接受此请求(对请求无反应),都会产生此错误
6. 报告描述符及数据通信程序示例
报告描述符(由于是汇编代码,所以不必留意其语法,仅需注意表中的每个数据都占 1 个字节):
_ReportDescriptor: // 报告描述符
.dw 0x06, 0x00, 0xff // 用法页
.dw 0x09, 0x01 // 用法 ( 供应商用法 1)
.dw 0xa1, 0x01 // 集合开始
.dw 0x85, 0x01 // 报告 ID(1)
.dw 0x09, 0x01 // 用法 ( 供应商用法 1)
.dw 0x15, 0x00 // 逻辑最小值 (0)
.dw 0x26, 0xff, 0x0 // 逻辑最大值 (255)
.dw 0x75, 0x08 // 报告大小 (8)
.dw 0x95, 0x07 // 报告计数 (7)
.dw 0x81, 0x06 // 输入 (数据,变量,相对值)
.dw 0x09, 0x01 // 用法 ( 供应商用法 1)
.dw 0x85, 0x03 // 报告 ID ( 3 )
.dw 0xb1, 0x06 // 特征 (数据,变量,相对值)
.dw 0x09, 0x01 // 用法 ( 供应商用法 1)
.dw 0x85, 0x02 // 报告 ID ( 2 )
.dw 0xb1, 0x06 // 特征 (数据,变量,相对值)
.dw 0x09, 0x01 // 用法 ( 供应商用法 1)
.dw 0x85, 0x04 // 报告 ID ( 4 )
.dw 0x91, 0x06 // 输出 (数据,变量,相对值)
.dw 0xc0 // 结合结束
_ReportDescriptor_End:
这个报告描述符,定义了 4 个不同的报告:输入报告 1 ,特征报告 2 ,特征报告 3 ,输出报告 4 (数字代表其报告 ID )。为了简化,每个报告都是 7 个字节(加上报告 ID 就是 8 个字节)。下面用一个简单的示例来描述 PC 端与 USB HID 设备进行通信的一般方法。
view plaincopy to clipboardprint?
#define USB_VID 0xFC0
#define USB_PID 0x420
HANDLE OpenMyHIDDevice(int overlapped);
void HIDSampleFunc()
{
HANDLE hDev;
BYTE recvDataBuf[8];
BYTE reportBuf[8];
DWORD bytes;
hDev = OpenMyHIDDevice(0); // 打开设备,不使用重叠(异步)方式 ;
if (hDev == INVALID_HANDLE_VALUE)
return;
reportBuf[0] = 4; // 输出报告的报告 ID 是 4
memset(reportBuf, 0, 8);
reportBuf[1] = 1;
if (!WriteFile(hDev, reportBuf, 8, &bytes, NULL)) // 写入数据到设备
return;
ReadFile(hDev, recvDatatBuf, 8, &bytes, NULL); // 读取设备发给主机的数据
}
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)
{
break;
}
else
{
CloseHandle(hidHandle);
++deviceNo;
}
}
}
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
return hidHandle;
}
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