ARM9平台AT91RM9200 USB device开发及PC端应用程序开发心得

最近一个多月一直在做这方面的事情，对USB从一点不懂到最后写出了符合老板要求的程序，也算是颇有心得吧，跟大家分享下。本文不涉及太过具体的编程，因为如果直接把几千行的源代码贴出来，没做过USB的朋友估计直接就晕了。

1.概述

     USB作为PC上应用最广泛的外设接口，对用户来说是非常方便的，一插就能用；但对开发人员来说，做起来就有点复杂了，USB相对串口来说复杂度完全不是一个层次上的。

     总体来说，USB开发分为两大块，嵌入式设备（比如ARM）端的firmware开发，和PC端驱动程序的开发。我要实现得目标也很简单，让我们自己的板子能和电脑进行通信就行了。项目开发的时候程序严格按照SDL结构化编程来走，因为实现的是某通信协议，类似IP，协议里常用SDL图来描述，这是个结构很清晰的编程方法，可以算是加强版的流程图吧，做过802.X同学应该都对这玩意熟的不能再熟了。

     做USB的必须对USB协议非常熟，不要被300多页的英文协议吓到，虽然我刚开始看的时候也是两眼一摸黑，但是其实要看的东西不多，主要是设备枚举和数据包的握手机制，明白USB设备是怎么被PC检测到（发送各种各样的描述符，比如设备描述符，接口描述符等），每次传输的过程是怎么进行的。

     USB有几个基本的概念，第一是HOST和DEVICE，如同其名，HOST是主，Device是从属，Device完全没有主动权，一切在HOST端操纵下执行。日常的PC,就是HOST，U盘MP3等等都是Device，两个设备之间是不能通信的。当一个USB设备想要发数据给host时，它不能主动发起，比如收到HOST给出的“发”命令后才能把数据发出去。

      还有一个容易让人搞晕的是端点，即EndPoint。USB是半双工的总线结构（3.0是不是我不清楚），也就是同时刻要么是HOST发向Device，要么是反过来，为了把某种功能的传输抽象，于是有了端点的操作，比如控制端点专门用来传输HOST对设备的控制信息，In端点专门用来向HOST发送数据，Out端点专门用来接收HOST发过来的信息。由于USB传输分好几种，有用于保证大批量数据传输的Bulk方式（可以保证数据完整的发过去，有检错重传机制），还有用于保证时延的等时传输（比如用在语音和视频流上，可能会丢包）还有能保证立刻性的中断传输（其实是疯狂的轮询，但人家就叫中断）。所以一个设备上可能有好多个IN和OUT端点，控制端点一般就只有一个，而且只有控制端点是双向传输的，其它端点只能单方向传输。

    为了区分不同的端点，端点有一个地址，英文用的是Address，而不是Number，所以要区分开端点地址和端点号之间的区别，端点号+传输方向=端点地址，因为有的设备允许一个端点号有两个传输方向，但是只有取定方向之后的才是实际意义上的端点。更晕的是，像ARM这样的设备，很多时候一个端点号只能有一个方向。

     由于一个HOST接口允许通过USB hub扩展127个USB设备，说实话，没见过扩超过4个的，多了还想活不？所以每个设备有一个地址，地址0用于和刚插上去的设备通信，枚举完成后就有了专有的地址，接下来就是在操作系统里注册这个设备，加载对应的驱动等等。

2.目标

   短时间内开发出速度达标（所谓达标就是越快越好），没有BUG（不可能的，越少越好）的USB通信程序，要求对PC和ARM端跑的应用程序提供透明的数据传输管道。对PC端应用层程序提供三个函数结构，GetTxReq（获取ARM发过来的信息）,TxCfm(向ARM发送确认信号)，RxInd（向 ARM端发送信息）；对ARM端应用程序，提供TxReq（向PC发送信息），并在收到PC发过来的信息（包括确认信息和数据）后，向上层应用程序发送 Signal。

3.ARM端

    需要的设备，PC一台，板子一块，USB线一根。还有最重要的，USB总线分析仪，对于熟手来说这东西不需要，但对于完全没做过USB的新手来说，没有它是不可能开发出USB设备的，USB总线上信号频率48MHz，而且还是用不归零码编码的，外加一堆乱七八糟的信令，想用逻辑分析仪或示波器看是不现实的。

    USB从某个角度上来看和I2C总线相似，比如都是两根数据线，都是主从结构，靠地址来寻找设备，等等。看过周立功的I2C程序的朋友应该记得I2C的状态码都是在中断里面处理的，USB也是，USB设备收到信令后都会引起中断，然后进行相关的处理。

    枚举。枚举就是一个usb设备插到host（比如电脑）上之后，被HOST识别并注册的过程，电脑不可能知道没插上去的设备长啥样，所以这些信息都是电脑找设备要的，就跟找工作差不多，HOST问设备，你是男的还是女的，DEVICE说我是男的;HOST再问，你是本科的还是专科的，还是研究生，然后设备再说@#%*&*;问完之后就签约了，如果ARM端固件没写好，对HOST的枚举要求不响应，那就会爆出个“无法识别的USB设备”这样的信息。

        枚举的过程是USB设备端程序最为复杂的一段，因为没碰过USB设备的人在做USB的时候，最开始遇到的就是设备无法识别，只要能枚举，ARM端得程序就算写了一半了，要想最快速度的搞定枚举，USB协议里面关于枚举的章节必须看的能背下来，这样才能分析总线分析仪截获的数据包对不对。双缓冲。由于USB 控制器对ARM来说是个外设，有个FIFO，ARM核心往里面写东西，然后USB控制器把它给发出去，很明显ARM正在写的时候不能发，不然发个一半过去算啥，所以如果只有一个缓冲的话，USB总线会有一半时间是空闲的。为了解决这个问题，用双缓冲，乒乓方式工作，乒乓方式嘛，轮着来，我写A，你发B，你发完了B，我A也写完了，所以两边都不闲着，USB控制器不停的发，ARM核不停的写。但是这里面有个需要注意的问题，刚开始的时候，程序必须是这样的：写缓冲A,就绪缓冲A，写缓冲B，开发送中断，不能都写了才就绪，否则USB控制器不知道该发哪一个。发送完成后，设备收到主机的ACK信号进入发送完成中断，终端里面就绪刚才写好的缓冲B，同时填写下一包，当剩下最后一包的时候，需要关发送中断。

4.PC端

      这个是很让人纠结的程序，最能体现出高手和菜鸟的区别，因为PC端的USB驱动本质上是WINDOWS的一部分，所以写起来很难，把PC搞得蓝屏死机是很随意的事情。高手可以用DDK写出专用的驱动，实现最高的速度，和最小的体积。

      由于对我来说，USB的驱动是谁写的不重要，重要的是实现传输数据的功能，所以驱动本身并不是研究的重点，总共才给了一个多月的时间，拿来入门DDK都不够，所以直接我就放弃了。

      USB的PC驱动都是一个萝卜一个坑，一种设备一种驱动，像U盘这东西微软早就把驱动写好了，根本不用操心，但这驱动没法拿来用。我们有周立功给 ISP1581USB接口芯片写的驱动，刚开始的时候就是把自己的设备伪装成ISP1581来通信，也确实实现了，问题就是，速度太慢，而且同样的设备只能插一个。慢点还能忍受，后面那个问题直接就把它KO了。

      接下来的选择是DriverStdio，宣传的很好，什么好用如同MFC，纯属胡扯，版本多如牛毛不说，还要写一大堆的代码，我要是会写这些代码那就直接去用DDK了，所以在这上面折腾了三四天之后放弃了，DriverStdio本身也已经被微软给招安了，一堆得Bug不用指望有人来做支持。

      在我马上就要崩溃的时候，曙光出现了，无意中记得有人提过Windriver，这名字不好，拿来google的话，搜出来的都是Wind river，大名鼎鼎的vxworks就是他们的产品，跟WinDriver一点关系都没有。拿来一试，可以直接识别设备并产生驱动，狂喜啊。 Windriver把很多种设备抽象的提供了一种驱动，相当于在操作系统和用户应用程序之间加了一层，所以安装它生成的驱动有点奇怪，要敲命令。不过这完全不能掩盖这款软件的优秀。

      我从它的公司Jungo上下载了试用版，v10.1，可以直接生成适用于从win ce到linux，从win98 到win vista得驱动，而且读写代码直接提供的是vc6,vs2003,vs2005,vs2008,borland^^^^^^^的工程，可以直接编译的那种，不得不佩服这家公司的强大与细心，要做就做到最好最方便。它的代码里其实只需要掌握两部分，一是设备插上去是怎么获得设备句柄的，而是接口函数的用法，软件附带的manual详细的不能再详细了。如果说有缺点的话，那就是这软件太贵了，正版要几千美金，所以我无耻的选择了破解版，在此表示对软件作者团队的歉意。

      下载试用版的时候，我留了真实的电话和邮箱，没想到该公司的亚洲总代直接从台湾打了电话给我，台湾MM的国语听着真好玩，“作业系统、**位元”听着还真有点奇怪，该公司的技术支持Nadav Shner也认真的回复了我那蹩脚的英文写的邮件。

      windriver的借口函数支持多个设备，而且是multi-thread safe，可以为每个设备创建一个发线程和收线程，每个设备有独立的接受和发送缓冲区以避免多线程切换的问题。而且该驱动的效率非常的高，实际试验的结果是，对于USB2.0全速的设备，可以达到8Mbit/s的速度，而理论值是9.*Mbit/s，多个设备同时工作时，几乎没有性能的下降，如果时间紧迫的话，WINdriver是很完美的选择。

5.后记

     这一个多月下来收获还是蛮大的，首先做工程的时候，不能有尽善尽美的想法，必须分成一块块的做，否则N久见不到成果，会有严重的挫败感。其次，黎明前的黑暗这话绝对不假，凡是到了让人快崩溃的时候，曙光基本就差不多了

顶，我非常赞同你的后记的观点！

请问楼主，10.1的序列号到哪里整啊

我没有10.1的序列号,但是有10.0的,你要的话我可以给你一份,我的邮箱cfqxd@163.com

楼主你好，最近我在做arm端linux usb device驱动程序开发，需要同时开发windows主机上的usb驱动，利用了vs+ddk+driverstudio生成了驱动的框架，在加载的时候出现了问题，请您帮帮我，小弟跪谢！问题如下：
（1）我在arm准备好驱动的模块后，windows 主机上显示找到新硬件，然后我一步步安装利用 driver studio生成的驱动，安装不成功，提示错误：“无法打开设备”，然后在硬件设备列表里此设备上有一个黄颜色的感叹号，请问这是代表驱动不对还是主机没有获得完整的设备信息？
（2）我在arm端加载device驱动模块的时候，一个函数setup(struct gadget *，struct ctrl*)被反复调用，我看源码发现这个函数是根据其参数struct ctrl* 来执行各种不同的操作，我想请见你这个参数是哪里来的呢？另外这个setup()函数是被谁调用的呢？
（3）当windows 主机上出现无法打开设备的错误提示时，arm端的一个函数suspend()被调用，这是因为驱动安装失败导致的吗？
（4）有没有什么手段可以检测usb总线上的传输信息？

另外，楼主，我想给你发短消息一直操作失败，所以你能不能把你的邮箱或QQ给我，我想以后继续请教请教你，感激不尽！请帮帮我

         谢谢帮我解答一下，感激不尽！

1.获得设备信息后，如果你用VISTA，设备管理器里可以看到设备的PID,VID
2.这个参数是控制端点接收到的，也就是建立过程HOST发给设备的
3.不清楚，但你的驱动肯定有问题。
4.USB总线分析仪。我的QQ 549508985

好贴，顶一下。