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

Windows主机端与自定义USB HID设备通信详解

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。

#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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