HarmonyOS USB DDK助你轻松实现USB驱动开发原创精华

HarmonyOS开发者

发布于 2022-3-28 19:07

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HDF（Hardware Driver Foundation）驱动框架是HarmonyOS硬件生态开放的基础，为开发者提供了驱动加载、驱动服务管理和驱动消息机制等驱动能力，让开发者能精准且高效地开发驱动程序。

本期，我们将为大家带来HDF驱动框架中USB DDK的解析与指导。

一、USB DDK介绍

USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，包含了主机端（Host）和设备端（Device）。其中，主机端负责USB总线中的数据传输及端口管理，设备端则可以连接各种外设，所以USB驱动开发又分为主机端驱动开发和设备端驱动开发。

由于基于内核态开发的USB驱动功能扩展性较差，目前开发者通常选择Libusb库进行USB驱动开发。该库是一种跨平台的用户态开源USB通信库，可以满足开发者基于用户态开发功能驱动的需求。但是，由于Libusb库是完全按照USB协议来封装接口的，所以需要开发者对USB协议要有较深的了解才能很好的使用，对开发者的要求相对较高，让很多比较初级的开发者望而却步。为了让更多的开发者都能进行基于用户态的USB驱动开发，HDF引入了USB DDK开发套件。

USB DDK（USB DriverDevelop Kit）是HDF驱动框架为开发者提供的USB驱动程序开发套件，包括USB Host DDK及USB Device DDK两部分，支持基于用户态开发USB设备驱动的同时，还提供了丰富的USB驱动开发能力，让广大开发者能精准且高效的开发USB驱动程序。

下面，我们将一一道来。

1）USB Host DDK

USB Host DDK给开发者提供了主机端USB驱动开发能力，按照功能分类三大类,分别是DDK初始化类、interface对象操作类及request对象操作类。并为开发者提供了普通模式和专家模式两种开发模式。普通模式下，开发者可通过USBDDK API直接完成相关USB数据读写操作，不需要过多关注底层传输细节。

专家模式下，开发者通过USB RAW API直接访问OS平台USB通道的接口，自定义实现更加复杂的功能。目的是给驱动层留有更灵活，更强大的扩展方案，同时也能够兼容现有驱动，便于移植。USBHost DDK架构如图1所示：

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图1 USB Host DDK架构

（1）USB Interface Pool负责USBInterface管理。提供USB Interface申请和回收，USB Interface记录设备端口信息以及资源。USB Interface Pool按照USB Port对USB Interface进行分类管理。同时，此模块还提供了USB DDK API，方便开发者USB数据读写操作。

（2）USB Protocol Layer提供USB协议封装，根据USB协议对设备IO/控制命令的“翻译/解析”，同时负责设备描述符的管理，根据USB Device上报的枚举信息，匹配对应的描述符，并构建对应的USB Interface，并加入到USB Interface Pool中管理。

（3）Device IO Manager负责USBIO请求管理，提供了同步IO和异步IO管理机制，对于异步IO，IO Manager负责将该请求记录下来，然后通过Raw API Library提供的接口依次处理待发送的IO请求；当收到USB控制器应答的处理结果后，IO接收线程负责解析并上报处理结果给上层调用者。

（4）Raw API Library抽象了底层OS能力，定义了统一的OS能力接口，对外提供了USB RAW API，让开发者自定义实现更加复杂的驱动功能。

（5）OS Adapter用于封装与平台（Linux和LiteOS）相关的操作，根据不同平台配置编译对应平台的封装接口。在Linux平台上，访问USBFS的操作，全部都封装在这个模块中；而在LiteOS平台上，基于FreeBSD USB框架的设备访问操作，对应的也都全部封装在这个模块中。

（6）PNP Notify用于动态监测USB状态变化，当有新设备添加/移除时，变化设备信息。同时将所有USB设备信息都通过KHDF上报给UHDF侧的PNPNotify Manager模块来完成加载/卸载第三方功能驱动。

2）USB Device DDK

USB Device DDK给开发者提供了设备端USB驱动开发能力。例如，USB端口动态注册和去注册能力，开发者可以基于能力实现USB端口的动态添加和组合；动态实例化能力，支持根据动态下发设备、配置、接口及端点描述符创建设备实例及传输通道；用户态的数据发送及接收能力，支持用户态下发送及接收数据；复合设备能力，支持一个物理设备上多个逻辑设备，实现多个逻辑设备间隔离，并支持不同逻辑设备同时被不同的应用进程访问。

USB Device DDK架构如图2所示：

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图2 USB Device DDK架构

（1）SDK IF负责将USB设备按照设备、接口、管道进行逻辑划分，对配置管理、设备管理、IO管理进行封装。此模块还向开发者提供了设备创建、获取接口、接收Event事件、收发数据等设备测驱动开发的能力接口。

（2）Configuration Manager负责解析HCS文件描述的USB描述符信息，得到的USB描述符信息用于设备创建，同时模块还提供了自定义属性的读取、创建、删除、修改等操作。

（3）Device Manager负责根据配置模块解析的USB描述符，并根据USB描述符创建设备。同时模块还负责获取设备、删除设备、获取设备状态，获取设备上面接口信息。

（4）IO Manager负责数据的读写，包括Events事件、数据读写完成事件的接受，支持同步和异步模式数据读写。

（5）Adapter IF主要是对复合设备配置驱动及通用功能驱动设备节点操作进行封装，为上层提供统一的设备管理接口。

（6）Adapter该模块由复合设备配置驱动及通用功能驱动提供。

二、USB DDK开发指导

相信大家已对USB DDK已经有了一定的认识。下面，我们来看看如何使用USB DDK来开发USB Host和USB Device驱动程序吧。

1）USB Host的开发

USB Host（主机端驱动）主要完成协议封装、设备管理、驱动安装与卸载等。通过上文的介绍，开发者可通过USB DDK API和USB RAW API来实现主机端驱动。

1. USB DDK API的使用

USB DDK API主要实现主机端USB数据读写操作，如图3所示，是USB DDK API提供的部分接口。

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图3 USB DDK API部分接口

使用步骤如下：

(1) 配置驱动匹配表，完成主机端驱动总体信息的配置，具体如下：

struct UsbPnpMatchIdTable {
//驱动模块名，该字段的值必须和驱动入口结构的moduleName一致
const char *moduleName;
//驱动对外发布服务的名称，必须唯一
const char *serviceName;
//驱动私有数据匹配关键字
const char *deviceMatchAttr;
//从该字段开始（包含该字段）之后数据长度，以byte为单位
uint8_t length;
//USB驱动匹配规则
uint16_t matchFlag;
//厂商编号
uint16_t vendorId;
//产品编号
uint16_t productId;
//设备出厂编号，低16位
uint16_t bcdDeviceLow;
//设备出厂编号，高16位
uint16_t bcdDeviceHigh;  
//USB分配的设备类代码
uint8_t deviceClass;
//USB分配的子类代码
uint8_t deviceSubClass;
//USB分配的设备协议代码
uint8_t deviceProtocol;
//接口类型，根据实际需要可填写多个
uint8_t interfaceClass[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口子类型，根据实际需要可填写多个
uint8_t interfaceSubClass[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口所遵循的协议，根据实际需要可填写多个
uint8_t interfaceProtocol[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口的编号，根据实际需要可填写多个
uint8_t interfaceNumber[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
};

其中matchFlag表示驱动匹配规则，每个bit表示一种匹配方式，其取值如下：

enum {
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_VENDOR = 0x0001,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_PRODUCT = 0x0002,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_DEV_LOW = 0x0004,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_DEV_HIGH = 0x0008,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_DEV_CLASS = 0x0010,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_DEV_SUBCLASS = 0x0020,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_DEV_PROTOCOL = 0x0040,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_INT_CLASS = 0x0080,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_INT_SUBCLASS = 0x0100,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_INT_PROTOCOL = 0x0200,
    USB_PNP_NOTIFY_MATCH_INT_NUMBER = 0x0400,
};

(2) USB主机端驱动开发工具包初始化，使用如下接口：

int32_t UsbInitHostSdk(struct UsbSession **session)

(3) 待步骤2初始化完后获取UsbInterface对象，使用如下接口：

const struct UsbInterface *UsbClaimInterface(const struct UsbSession *session, uint8_t busNum, uint8_t usbAddr, uint8_t interfaceIndex);

(4) 打开步骤3获取到的UsbInterface接口对象，获取对应接口的UsbInterfaceHandle对象，使用如下接口：

UsbInterfaceHandle *UsbOpenInterface(const struct UsbInterface *interfaceObj);

(5) 根据步骤4获取到的UsbInterfaceHandle对象，获取指定索引为pinpeIndex的pipeInfo信息，使用如下接口：

int32_t UsbGetPipeInfo(const UsbInterfaceHandle *interfaceHandle, uint8_t settingIndex, uint8_t pipeId, struct UsbPipeInfo *pipeInfo);

(6) 为步骤4获取到的UsbInterfaceHandle预先分配待发送的IO Request对象，使用如下接口：

struct UsbRequest *UsbAllocRequest(const UsbInterfaceHandle *interfaceHandle, int isoPackets, int length);

(7) 根据输入参数params填充步骤6预先分配的IO Request，使用如下接口：

int32_t UsbFillRequest(const struct UsbRequest *request, const UsbInterfaceHandle *interfaceHandle, const struct UsbRequestParams *params);

(8) 提交IO Request对象，可以选择同步或异步两种模式，使用如下接口：

int32_t UsbSubmitRequestSync(const struct UsbRequest *request);//发送同步IO请求
int32_t UsbSubmitRequestAsync(const struct UsbRequest *request);//发送异步IO请求

2. USB RAW API 的使用

USB RAW API主要实现USB更加复杂的功能，如获取描述符信息、获取设备指针、复位设备、提交传输请求等，如图4所示，是USB RAW API提供的部分接口。

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图4 USB RAW API

使用步骤如下：

(1) 同USB DDK API的步骤1一样，需先进行驱动匹配表配置。

(2) 初始化Host RAW，使用如下接口：

int32_t UsbRawInit(struct UsbSession **session);

(3) 待步骤2完成后打开USB设备，使用如下接口：

UsbRawHandle *UsbRawOpenDevice(const struct UsbSession *session, uint8_t busNum, uint8_t usbAddr);

(4) 待步骤3完成后获取描述符，通过描述符获取接口、端点信息，使用如下接口：

int32_t UsbRawGetConfigDescriptor(const UsbRawDevice *rawDev, uint8_t configIndex, struct UsbRawConfigDescriptor **config);

(5) 分配Request，并根据不同的传输类型使用相应的接口对Request进行填充：

int32_t UsbRawFillBulkRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用于批量传输的请求
int32_t UsbRawFillControlSetup(const unsigned char *setup, const struct UsbControlRequestData *requestData);
int32_t UsbRawFillControlRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用于控制传输的请求
int32_t UsbRawFillInterruptRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用于中断传输的请求
int32_t UsbRawFillIsoRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用于同步传输的请求

(6) 提交IO Request对象，可以选择同步或异步两种模式，分别使用如下接口：

int32_t UsbRawSendControlRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbControlRequestData *requestData);//发送同步USB控制传输请求
int32_t UsbRawSendBulkRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRequestData *requestData);//发送同步USB批量传输请求
int32_t UsbRawSendInterruptRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRequestData *requestData);//发送同步执行USB中断传输请求
int32_t UsbRawSubmitRequest(const struct UsbRawRequest *request);//提交异步IO请求

感兴趣的小伙伴可点击下方链接查看完整的USB Host开发代码：

https://gitee.com/openharmony/drivers_peripheral/tree/master/usb/serial/src

2）USB Device的开发

USB Device（设备端驱动）主要实现设备管理、配置管理、IO管理、数据通信等。USB Deivce DDK给开发者提供了设备创建、获取接口、接收Event事件、收发数据等驱动能力接口，如图5所示：

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图5 USB Device DDK开放的API

下面，我们将根据USB Deivce DDK提供的驱动能力接口来开发设备端驱动。

1. 构造描述符

首先，需构造描述符来说明设备的总体信息。开发者可以通过设备功能代码及设备私有数据HCS两种途径进行配置，下面将分别介绍。

(1) 在设备功能代码中配置描述符，配置代码如下：

static struct UsbFnFunction g_acmFunction = {//功能描述符
    .enable         = true,
    .funcName       = "f_generic.a",
    .strings        = g_acmStrings,
    .fsDescriptors  = g_acmFsFunction,
    .hsDescriptors  = g_acmHsFunction,
    .ssDescriptors  = g_acmSsFunction,
.sspDescriptors = NULL,
};
struct UsbFnFunction *g_functions[] = {
#ifdef CDC_ECM
    &g_ecmFunction,
#endif
#ifdef CDC_ACM
    &g_acmFunction,
#endif
NULL
};
static struct UsbFnConfiguration g_masterConfig = {//配置描述符
    .configurationValue = 1,
    .iConfiguration     = USB_FUNC_CONFIG_IDX,
    .attributes         = USB_CFG_BUS_POWERED,
    .maxPower           = POWER,
    .functions          = g_functions,
};
static struct UsbFnConfiguration *g_configs[] = {
    &g_masterConfig,
    NULL,
};
static struct UsbDeviceDescriptor g_cdcMasterDeviceDesc = {//设备描述符
    .bLength            = sizeof(g_cdcMasterDeviceDesc),
    .bDescriptorType    = USB_DDK_DT_DEVICE,
    .bcdUSB             = CpuToLe16(BCD_USB),
    .bDeviceClass       = 0,
    .bDeviceSubClass    = 0,
    .bDeviceProtocol    = 0,
    .bMaxPacketSize0    = USB_MAX_PACKET_SIZE,
    .idVendor           = CpuToLe16(DEVICE_VENDOR_ID),
    .idProduct          = CpuToLe16(DEVICE_PRODUCT_ID),
    .bcdDevice          = CpuToLe16(DEVICE_VERSION),
    .iManufacturer      = USB_FUNC_MANUFACTURER_IDX,
    .iProduct           = USB_FUNC_PRODUCT_IDX,
    .iSerialNumber      = USB_FUNC_SERIAL_IDX,
    .bNumConfigurations = 1,
};
static struct UsbFnDeviceDesc g_masterFuncDevice = {//描述符入口
    .deviceDesc    = &g_cdcMasterDeviceDesc,
    .deviceStrings = g_devStrings,
    .configs       = g_configs,
};

(2) 在设备私有数据HCS中配置，配置代码如下：

root {
    module = "master";
master_config {
        match_attr         = "usbfn_master_driver";//该字段与device中deviceMatchAttr
                                                             保持一致，否则无法找到的这个节点的信息。
    use_hcs            = 1;                         //用户可以用该值决定是否使用hcs配置信息
    udc_name           = "100e0000.hidwc3_0";   //UDC的名字
        usb_dev_desc       = "UsbDeviceDescriptor";//设备描述符的节点UsbDeviceDescriptor
        usb_dev_string     = "UsbDeviceStrings";   //设备字符串的节点为UsbDeviceStrings
        usb_configuration = "UsbConfigs";           //配置描述符的节点为UsbConfigs
        ...
   }
}

设备描述符的节点为UsbDeviceDescriptor，配置如下：

UsbDeviceDescriptor {
            bLength            = 18;
            bDescriptorType  = 0x01;
            bcdUSB             = 0x0200;
            bDeviceClass      = 0;
            bDeviceSubClass  = 0;
            bDeviceProtocol  = 0;
            bMaxPacketSize0  = 0x40;
            idVendor           = 0x0525;
            idProduct          = 0xA4A7;
            bcdDevice          = 0x0100;
            manufacturer       = 0;
            product             = 1;
            serialnumber       = 2;
            numConfigurations = 1; 
 }

2. 创建设备

描述符构造完成后，使用UsbFnDeviceCreate函数创建一个USB设备，并传入UDC控制器名和UsbFnDescriptorData结构体。实现代码如下：

if (useHcs == 0) {//使用代码编写的描述符
        descData.type        = USBFN_DESC_DATA_TYPE_DESC;
        descData.descriptor = &g_acmFuncDevice;
    } else {             //使用hcs编写的描述符
        descData.type         = USBFN_DESC_DATA_TYPE_PROP;
        descData.property    = acm->device->property;
}
   //创建设备
    fnDev = (struct UsbFnDevice *) UsbFnCreateDevice(acm->udcName, &descData);

3.获取接口

设备创建后，使用UsbFnDeviceGetInterface函数获取UsbInterface接口对象，并通过UsbFnGetInterfacePipeInfo函数获取USB管道信息，实现代码如下：

//获取接口
fnIface = (struct UsbFnInterface *)UsbFnGetInterface(fnDev, i);
//获取Pipe信息
UsbFnGetInterfacePipeInfo(fnIface, i, &pipeInfo);
//获取Handle
handle = UsbFnOpenInterface(fnIface);
//获取控制（EP0）Request
req = UsbFnAllocCtrlRequest(acm->ctrlIface.handle,
            sizeof(struct UsbCdcLineCoding) + sizeof(struct UsbCdcLineCoding));
//获取Request
req = UsbFnAllocCtrlRequest(acm->ctrlIface.handle,
            sizeof(struct UsbCdcLineCoding) + sizeof(struct UsbCdcLineCoding));

4. 接收Event事件

通过UsbFnStartRecvInterfaceEvent函数接收Event事件，并通过UsbFnEventCallback回调函数对Event事件做出响应，实现代码如下：

//开始接收Event事件
ret = UsbFnStartRecvInterfaceEvent(acm->ctrlIface.fn, 0xff, UsbAcmEventCallback, acm);
//Event处理回调函数
static void UsbAcmEventCallback(struct UsbFnEvent *event)
{
struct UsbAcmDevice *acm = NULL;


    if (event == NULL || event->context == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: event is null", __func__);
        return;
    }


    acm = (struct UsbAcmDevice *)event->context;
    switch (event->type) {
        case USBFN_STATE_BIND:
            HDF_LOGI("%s: receive bind event", __func__);
            break;
        case USBFN_STATE_UNBIND:
            HDF_LOGI("%s: receive unbind event", __func__);
            break;
        case USBFN_STATE_ENABLE:
            HDF_LOGI("%s: receive enable event", __func__);
            AcmEnable(acm);
            break;
        case USBFN_STATE_DISABLE:
            HDF_LOGI("%s: receive disable event", __func__);
            AcmDisable(acm);
            acm->enableEvtCnt = 0;
            break;
        case USBFN_STATE_SETUP:
            HDF_LOGI("%s: receive setup event", __func__);
            if (event->setup != NULL) {
                AcmSetup(acm, event->setup);
            }
            break;
        case USBFN_STATE_SUSPEND:
            HDF_LOGI("%s: receive suspend event", __func__);
            AcmSuspend(acm);
            break;
        case USBFN_STATE_RESUME:
            HDF_LOGI("%s: receive resume event", __func__);
            AcmResume(acm);
            break;
        default:
            break;
    }
}

5. 收发数据

可以选择同步异步发送模式，实现代码如下：

notify = (struct UsbCdcNotification *)req->buf;
    ...
    if (memcpy_s((void *)(notify + 1), length, data, length)  != EOK) {
        return HDF_FAILURE;
    }
ret = UsbFnSubmitRequestAsync(req);//异步发送

感兴趣的小伙伴可点击下方链接查看完整的设备测开发代码。

完整设备测开发代码：https://gitee.com/openharmony/drivers_peripheral/tree/master/usb/gadget/function/

以上就是本期全部内容，通过本文的介绍相信你已经对USB DDK有了深刻的认识，期待广大的开发者加入我们，一起丰富基于USB DDK的第三方驱动。

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