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HDF（Hardware Driver Foundation）驅動框架是HarmonyOS硬件生態開放的基礎，為開發者提供了驅動加載、驅動服務管理和驅動消息機制等驅動能力，讓開發者能精准且高效地開發驅動程序。
本期，我們將為大家帶來HDF驅動框架中USB DDK的解析與指導。
一、USB DDK介紹
USB（Universal Serial Bus）通用串行總線，用於規范電腦與外部設備的連接和通訊，包含了主機端（Host）和設備端（Device）。其中，主機端負責USB總線中的數據傳輸及端口管理，設備端則可以連接各種外設，所以USB驅動開發又分為主機端驅動開發和設備端驅動開發。
由於基於內核態開發的USB驅動功能擴展性較差，目前開發者通常選擇Libusb庫進行USB驅動開發。該庫是一種跨平台的用戶態開源USB通信庫，可以滿足開發者基於用戶態開發功能驅動的需求。但是，由於Libusb庫是完全按照USB協議來封裝接口的，所以需要開發者對USB協議要有較深的了解才能很好的使用，對開發者的要求相對較高，讓很多比較初級的開發者望而卻步。為了讓更多的開發者都能進行基於用戶態的USB驅動開發，HDF引入了USB DDK開發套件。
USB DDK（USB DriverDevelop Kit）是HDF驅動框架為開發者提供的USB驅動程序開發套件，包括USB Host DDK及USB Device DDK兩部分，支持基於用戶態開發USB設備驅動的同時，還提供了豐富的USB驅動開發能力，讓廣大開發者能精准且高效的開發USB驅動程序。
下面，我們將一一道來。
1）USB Host DDK
USB Host DDK給開發者提供了主機端USB驅動開發能力，按照功能分類三大類,分別是DDK初始化類、interface對象操作類及request對象操作類。並為開發者提供了普通模式和專家模式兩種開發模式。普通模式下，開發者可通過USBDDK API直接完成相關USB數據讀寫操作，不需要過多關注底層傳輸細節。
專家模式下，開發者通過USB RAW API直接訪問OS平台USB通道的接口，自定義實現更加復雜的功能。目的是給驅動層留有更靈活，更強大的擴展方案，同時也能夠兼容現有驅動，便於移植。USBHost DDK架構如圖1所示：
圖1 USB Host DDK架構
（1）USB Interface Pool負責USBInterface管理。提供USB Interface申請和回收，USB Interface記錄設備端口信息以及資源。USB Interface Pool按照USB Port對USB Interface進行分類管理。同時，此模塊還提供了USB DDK API，方便開發者USB數據讀寫操作。
（2）USB Protocol Layer提供USB協議封裝，根據USB協議對設備IO/控制命令的“翻譯/解析”，同時負責設備描述符的管理，根據USB Device上報的枚舉信息，匹配對應的描述符，並構建對應的USB Interface，並加入到USB Interface Pool中管理。
（3）Device IO Manager負責USBIO請求管理，提供了同步IO和異步IO管理機制，對於異步IO，IO Manager負責將該請求記錄下來，然后通過Raw API Library提供的接口依次處理待發送的IO請求；當收到USB控制器應答的處理結果后，IO接收線程負責解析並上報處理結果給上層調用者。
（4）Raw API Library抽象了底層OS能力，定義了統一的OS能力接口，對外提供了USB RAW API，讓開發者自定義實現更加復雜的驅動功能。
（5）OS Adapter用於封裝與平台（Linux和LiteOS）相關的操作，根據不同平台配置編譯對應平台的封裝接口。在Linux平台上，訪問USBFS的操作，全部都封裝在這個模塊中；而在LiteOS平台上，基於FreeBSD USB框架的設備訪問操作，對應的也都全部封裝在這個模塊中。
（6）PNP Notify用於動態監測USB狀態變化，當有新設備添加/移除時，變化設備信息。同時將所有USB設備信息都通過KHDF上報給UHDF側的PNPNotify Manager模塊來完成加載/卸載第三方功能驅動。
2）USB Device DDK
USB Device DDK給開發者提供了設備端USB驅動開發能力。例如，USB端口動態注冊和去注冊能力，開發者可以基於能力實現USB端口的動態添加和組合；動態實例化能力，支持根據動態下發設備、配置、接口及端點描述符創建設備實例及傳輸通道；用戶態的數據發送及接收能力，支持用戶態下發送及接收數據；復合設備能力，支持一個物理設備上多個邏輯設備，實現多個邏輯設備間隔離，並支持不同邏輯設備同時被不同的應用進程訪問。
USB Device DDK架構如圖2所示：
圖2 USB Device DDK架構
（1）SDK IF負責將USB設備按照設備、接口、管道進行邏輯划分，對配置管理、設備管理、IO管理進行封裝。此模塊還向開發者提供了設備創建、獲取接口、接收Event事件、收發數據等設備測驅動開發的能力接口。
（2）Configuration Manager負責解析HCS文件描述的USB描述符信息，得到的USB描述符信息用於設備創建，同時模塊還提供了自定義屬性的讀取、創建、刪除、修改等操作。
（3）Device Manager負責根據配置模塊解析的USB描述符，並根據USB描述符創建設備。同時模塊還負責獲取設備、刪除設備、獲取設備狀態，獲取設備上面接口信息。
（4）IO Manager負責數據的讀寫，包括Events事件、數據讀寫完成事件的接受，支持同步和異步模式數據讀寫。
（5）Adapter IF主要是對復合設備配置驅動及通用功能驅動設備節點操作進行封裝，為上層提供統一的設備管理接口。
（6）Adapter該模塊由復合設備配置驅動及通用功能驅動提供。
二、USB DDK開發指導
相信大家已對USB DDK已經有了一定的認識。下面，我們來看看如何使用USB DDK來開發USB Host和USB Device驅動程序吧。
1）USB Host的開發
USB Host（主機端驅動）主要完成協議封裝、設備管理、驅動安裝與卸載等。通過上文的介紹，開發者可通過USB DDK API和USB RAW API來實現主機端驅動。
1. USB DDK API的使用
USB DDK API主要實現主機端USB數據讀寫操作，如圖3所示，是USB DDK API提供的部分接口。
圖3 USB DDK API部分接口
使用步驟如下：
(1) 配置驅動匹配表，完成主機端驅動總體信息的配置，具體如下：
struct UsbPnpMatchIdTable {
//驅動模塊名，該字段的值必須和驅動入口結構的moduleName一致
const char *moduleName;
//驅動對外發布服務的名稱，必須唯一
const char *serviceName;
//驅動私有數據匹配關鍵字
const char *deviceMatchAttr;
//從該字段開始（包含該字段）之后數據長度，以byte為單位
uint8_t length;
//USB驅動匹配規則
uint16_t matchFlag;
//廠商編號
uint16_t vendorId;
//產品編號
uint16_t productId;
//設備出廠編號，低16位
uint16_t bcdDeviceLow;
//設備出廠編號，高16位
uint16_t bcdDeviceHigh;
//USB分配的設備類代碼
uint8_t deviceClass;
//USB分配的子類代碼
uint8_t deviceSubClass;
//USB分配的設備協議代碼
uint8_t deviceProtocol;
//接口類型，根據實際需要可填寫多個
uint8_t interfaceClass[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口子類型，根據實際需要可填寫多個
uint8_t interfaceSubClass[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口所遵循的協議，根據實際需要可填寫多個
uint8_t interfaceProtocol[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
//接口的編號，根據實際需要可填寫多個
uint8_t interfaceNumber[USB_PNP_INFO_MAX_INTERFACES];
};
其中matchFlag表示驅動匹配規則，每個bit表示一種匹配方式，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主機端驅動開發工具包初始化，使用如下接口：
int32_t UsbInitHostSdk(struct UsbSession **session)
(3) 待步驟2初始化完后獲取UsbInterface對象，使用如下接口：
const struct UsbInterface *UsbClaimInterface(const struct UsbSession *session, uint8_t busNum, uint8_t usbAddr, uint8_t interfaceIndex);
(4) 打開步驟3獲取到的UsbInterface接口對象，獲取對應接口的UsbInterfaceHandle對象，使用如下接口：
UsbInterfaceHandle *UsbOpenInterface(const struct UsbInterface *interfaceObj);
(5) 根據步驟4獲取到的UsbInterfaceHandle對象，獲取指定索引為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) 為步驟4獲取到的UsbInterfaceHandle預先分配待發送的IO Request對象，使用如下接口：
struct UsbRequest *UsbAllocRequest(const UsbInterfaceHandle *interfaceHandle, int isoPackets, int length);
(7) 根據輸入參數params填充步驟6預先分配的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對象，可以選擇同步或異步兩種模式，使用如下接口：
int32_t UsbSubmitRequestSync(const struct UsbRequest *request);//發送同步IO請求
int32_t UsbSubmitRequestAsync(const struct UsbRequest *request);//發送異步IO請求
2. USB RAW API 的使用
USB RAW API主要實現USB更加復雜的功能，如獲取描述符信息、獲取設備指針、復位設備、提交傳輸請求等，如圖4所示，是USB RAW API提供的部分接口。
圖4 USB RAW API
使用步驟如下：
(1) 同USB DDK API的步驟1一樣，需先進行驅動匹配表配置。
(2) 初始化Host RAW，使用如下接口：
int32_t UsbRawInit(struct UsbSession **session);
(3) 待步驟2完成后打開USB設備，使用如下接口：
UsbRawHandle *UsbRawOpenDevice(const struct UsbSession *session, uint8_t busNum, uint8_t usbAddr);
(4) 待步驟3完成后獲取描述符，通過描述符獲取接口、端點信息，使用如下接口：
int32_t UsbRawGetConfigDescriptor(const UsbRawDevice *rawDev, uint8_t configIndex, struct UsbRawConfigDescriptor **config);
(5) 分配Request，並根據不同的傳輸類型使用相應的接口對Request進行填充：
int32_t UsbRawFillBulkRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用於批量傳輸的請求
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);// 填充用於控制傳輸的請求
int32_t UsbRawFillInterruptRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用於中斷傳輸的請求
int32_t UsbRawFillIsoRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRawFillRequestData *fillData);// 填充用於同步傳輸的請求
(6) 提交IO Request對象，可以選擇同步或異步兩種模式，分別使用如下接口：
int32_t UsbRawSendControlRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbControlRequestData *requestData);//發送同步USB控制傳輸請求
int32_t UsbRawSendBulkRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRequestData *requestData);//發送同步USB批量傳輸請求
int32_t UsbRawSendInterruptRequest(const struct UsbRawRequest *request, const UsbRawHandle *devHandle, const struct UsbRequestData *requestData);//發送同步執行USB中斷傳輸請求
int32_t UsbRawSubmitRequest(const struct UsbRawRequest *request);//提交異步IO請求
感興趣的小伙伴可點擊下方鏈接查看完整的USB Host開發代碼：
https://gitee.com/openharmony/drivers_peripheral/tree/master/usb/serial/src
2）USB Device的開發
USB Device（設備端驅動）主要實現設備管理、配置管理、IO管理、數據通信等。USB Deivce DDK給開發者提供了設備創建、獲取接口、接收Event事件、收發數據等驅動能力接口，如圖5所示：
圖5 USB Device DDK開放的API
下面，我們將根據USB Deivce DDK提供的驅動能力接口來開發設備端驅動。
1. 構造描述符
首先，需構造描述符來說明設備的總體信息。開發者可以通過設備功能代碼及設備私有數據HCS兩種途徑進行配置，下面將分別介紹。
(1) 在設備功能代碼中配置描述符，配置代碼如下：
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 = {//設備描述符 .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) 在設備私有數據HCS中配置，配置代碼如下：
root {
module = "master";
master_config {
match_attr = "usbfn_master_driver";//該字段與device中deviceMatchAttr
保持一致，否則無法找到的這個節點的信息。
use_hcs = 1; //用戶可以用該值決定是否使用hcs配置信息
udc_name = "100e0000.hidwc3_0"; //UDC的名字
usb_dev_desc = "UsbDeviceDescriptor";//設備描述符的節點UsbDeviceDescriptor
usb_dev_string = "UsbDeviceStrings"; //設備字符串的節點為UsbDeviceStrings
usb_configuration = "UsbConfigs"; //配置描述符的節點為UsbConfigs
...
}
}
設備描述符的節點為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. 創建設備
描述符構造完成后，使用UsbFnDeviceCreate函數創建一個USB設備，並傳入UDC控制器名和UsbFnDescriptorData結構體。實現代碼如下：
if (useHcs == 0) {//使用代碼編寫的描述符 descData.type = USBFN_DESC_DATA_TYPE_DESC; descData.descriptor = &g_acmFuncDevice; } else { //使用hcs編寫的描述符 descData.type = USBFN_DESC_DATA_TYPE_PROP; descData.property = acm->device->property; } //創建設備 fnDev = (struct UsbFnDevice *) UsbFnCreateDevice(acm->udcName, &descData);
3.獲取接口
設備創建后，使用UsbFnDeviceGetInterface函數獲取UsbInterface接口對象，並通過UsbFnGetInterfacePipeInfo函數獲取USB管道信息，實現代碼如下：
//獲取接口 fnIface = (struct UsbFnInterface *)UsbFnGetInterface(fnDev, i); //獲取Pipe信息 UsbFnGetInterfacePipeInfo(fnIface, i, &pipeInfo); //獲取Handle handle = UsbFnOpenInterface(fnIface); //獲取控制（EP0）Request req = UsbFnAllocCtrlRequest(acm->ctrlIface.handle, sizeof(struct UsbCdcLineCoding) + sizeof(struct UsbCdcLineCoding)); //獲取Request req = UsbFnAllocCtrlRequest(acm->ctrlIface.handle, sizeof(struct UsbCdcLineCoding) + sizeof(struct UsbCdcLineCoding));
4. 接收Event事件
通過UsbFnStartRecvInterfaceEvent函數接收Event事件，並通過UsbFnEventCallback回調函數對Event事件做出響應，實現代碼如下：
//開始接收Event事件
ret = UsbFnStartRecvInterfaceEvent(acm->ctrlIface.fn, 0xff, UsbAcmEventCallback, acm);
//Event處理回調函數
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. 收發數據
可以選擇同步異步發送模式，實現代碼如下：
notify = (struct UsbCdcNotification *)req->buf;
...
if (memcpy_s((void *)(notify + 1), length, data, length) != EOK) {
return HDF_FAILURE;
}
ret = UsbFnSubmitRequestAsync(req);//異步發送
感興趣的小伙伴可點擊下方鏈接查看完整的設備測開發代碼。
完整設備測開發代碼：https://gitee.com/openharmony/drivers_peripheral/tree/master/usb/gadget/function/
以上就是本期全部內容，通過本文的介紹相信你已經對USB DDK有了深刻的認識，期待廣大的開發者加入我們，一起豐富基於USB DDK的第三方驅動。
