第2章
我们需要做什么

前面已经初步介绍了USB的基础知识，是时候开始着手USB设备开发了。我们先来看看完整开发一个USB设备需要做些什么，这有助于从宏观上建立USB设备开发的概念，如图2.1所示。

USB设备开发的首要步骤便是对系统需求进行分析，它的目的就是解决这样一个问题： 你打算采用什么方案来开发USB设备呢？ 不同方案的实现，其复杂程度与开发周期会完全不一样，这需要结合自己的项目来决定，包括设备类型、功能、数据传输类型与速率、硬件资源、成本、功耗等。

既然是进行USB设备的开发，必然最终会有一个能够拿在手里（实实在在）的东西，这就属于硬件范畴。例如，USB鼠标内部通常会有印制电路板模块（Printed Circuit Board Assembly, PCBA），上面安装了一些“采集滚轮位置与轻触按键状态信息并发送到主机”的电路，也就是我们讨论的硬件，而系统需求分析的最后落点就在于 USB接口芯片的选型 。

现如今市面上的USB接口芯片总体上可以分为 单纯的USB接口芯片 与 带USB接口的单片机 两大类，它们在硬件层面的区别如图2.2所示。

单纯的USB接口芯片 只负责与USB主机进行通信，通常仅包含直接与外部电信号打交道的物理层（Physical Layer, PHY），以及处理底层USB协议的单元，所以还需要另一个处理器实现其他更高层面的协议处理与数据交换，如菲利浦公司（Philips）生产的PDIUSBD12芯片（现已停产）。这类芯片提供了一些接口供处理器进行控制，不同厂商的USB接口芯片在USB协议上会有着不同程度的支持。所谓的“支持”，是指USB协议由软件还是硬件来实现，因为USB协议在 逻辑上 分为很多层，具体的实现方法可以是硬件或软件。接口芯片的硬件实现层面越多，成本越高，但速度会更快，软件编程方面也会更简单。 带USB接口的单片机 则将 USB接口芯片 集成到了单片机中，将其作为一个USB控制器挂在内部总线，这样我们就可以像访问单片机中其他诸如SPI（Serial Peripheral Interface）、I ² C（Inter-Integrated Circuit）等总线控制器一样，只需要访问为其分配的一些寄存器或缓冲区即可，是不是很简单！相应的典型芯片是由赛普拉斯公司（Cypress）生产的基于51内核的CY7C68013。简单地说， 带USB接口的单片机 属于单芯片解决方案。

那么实际进行USB设备应用开发时选择哪种好一些呢？主要考虑因素还是 成本 。 单纯的USB接口芯片 成本低，接口使用也方便，即使现有产品需要重新设计时也不需要做很大的改变，非常有利于整合与重用现有资源。例如，你们公司所有产品如果都在使用某几款基于51内核的单片机，那么在进行新的USB设备开发时，肯定也希望能够重用它们，这样有利于共享其他资源，而且开发工程师对相应单片机已经非常熟悉，也就能够缩短开发周期，提前一步将产品推出去，这些都有利于降低成本。 带USB控制器的单片机 的优势当然是更简单，但它不一定与你们公司现有的单片机内核相同，开发者可能需要重新学习。更重要的是，如果某一天需要切换到另一款 带USB控制器的单片机 更是困难，源码移植可得费不少工夫。如果采用 单纯的USB接口芯片 ，则没有这个问题，USB接口芯片即使进行了更换，单片机源代码只需要修改与USB接口芯片通信的那部分即可。

本书为了阐述的方便，决定采用 带USB控制器的单片机 ，即基于ARM 32位Cortex-M3内核的STM32F103C8T6单片机，它集成了USB 2.0全速控制器。需要特别注意的是： 本书虽然使用STM32F103C8T6作为阐述平台，但并没有对与USB控制器无关的其他模块进行深入探讨，因为本书旨在详尽阐述USB设备的开发思路及透彻理解USB 2.0规范，这对于所有平台都是通用的。换句话说，只要你需要学习USB设备开发，无论使用的单片机型号与本书是否相同（包括其他厂商带USB控制器的单片机，或单纯的USB接口芯片），本书所述内容对你都是适用的。

USB接口芯片选型完成后，就开始进入USB设备的硬件设计环节，包括原理图与PCB设计、PCB制造、元器件采购及焊接调试等步骤，如图2.3所示。值得一提的是，现如今网络电商已经非常发达了，不仅仅是元器件采购，即使是PCB制造也能够轻松找到PCB厂商，我们只需要到相应的官方网站自助上传PCB生产文件（通常是PCB光绘文件）下单，再等待比较短的周期就能够（通过快递方式）收到制作完成的高质量PCB，跟以前在学校使用机器手工制作单面PCB相比，实在是太方便了。

USB设备的硬件设计完成之后，就得着手USB设备的软件设计了，我们将最终 下载 （也常称为“烧写”或“编程”）到单片机内部只读存储器（Read-Only Memory, ROM）的程序称为固件（Firmware），它是USB设备的核心，通常总是会完成至少一个功能。例如，对于USB鼠标设备，固件的作用是采集用户的操作信息并将其上传到主机。对于使用USB接口的逻辑分析仪，固件的作用是根据主机设置的数据采集参数，将采集到的参数回传给主机。为了区别于主机端的软件设计，我们称为 USB设备的固件设计 。

一般说来，硬件方案确定之后，相应USB设备的 开发环境 也就基本确定了。为什么这样说呢？因为芯片的制造厂商并不单纯地制造出芯片就完事了，为了让客户更容易地使用而达到快速占领市场的目的，总会有单独的部门进行演示板（Demonstration, DEMO）或评估板（Evaluation Board, EVB）的设计与开发，笔者曾经入职过的某集成电路设计公司的客户服务（Customer Service,CS）部门就是做这种事情的。简单地说，评估板存在的意义就是 将厂商制造该芯片的市场战略意图表达出来 ，它通常包含相关的硬件原理图、PCB文件、物料清单（Bill of Material, BOM）、数据手册（Datasheet）、设计说明书及必要的软件例程等。通俗地说，评估板就是想告诉你： 我这个芯片可以做什么？如果你要快速使用它，应该怎么做？

评估板在芯片推广过程中扮演了非常重要的角色，它不仅存在于很多简单的纯硬件类芯片中，对于稍显复杂（或需要单片机控制）的芯片更是如此，USB接口芯片的底层还是有些复杂的，所以相应的芯片厂商 必然 会准备好配套的评估板。

当我们开始设计USB设备固件时，一般都会直接参考厂商发布的固件例程。例如，将相关源代码复制到自己原来产品的工程目录下。当然，也有更直接的方式： 直接在厂商发布例程的基础上更改！ 有些人可能会想：这也太没有技术含量了吧？我要重新编写固件来体现自己非凡的技术水平！行，你想这么做我当然不会阻止，但你的老板肯定不会答应，既然有现成且经过验证的成熟案例参考，为什么还要自己重新编写呢？在这方面，我还是跟你的老板站在同一战线的，因为芯片厂商肯定对自己的产品理解更深刻，发布的例程相对而言会更稳定。在极端情况下，芯片本身可能存在一些设计缺陷，需要在固件层面进行弥补，这种情况我们通常是无法知道的。有些芯片厂商会针对内部与外部（客户）开放两套数据手册（披露的细节不一样），所以我劝你还是别打“重新设计固件”的主意了！

对于有些USB设备，设计完硬件电路与设备固件后，整个USB设备开发流程 可以算是 完成了。有些人会想：好像不对吧！不是听说还要开发主机端的 设备驱动程序 与 应用程序 吗？这里可以回复： 它们并不是必需的步骤 ！当你购买USB鼠标或键盘时，恐怕很少听说还要安装驱动或应用程序吧！换句话说， 是否需要设计USB主机端的设备驱动程序与应用程序，取决于你开发的USB设备的具体功能 。Windows操作系统为了方便用户使用USB总线与主机进行通信，已经提供了很多USB标准设备类驱动程序，如果你开发的USB设备符合某一种标准设备类，那么设备驱动程序的开发并不是必需的。例如，USB鼠标与键盘就不需要开发驱动程序与应用程序，因为它们是按照一定的规范（格式）向主机传递数据的，操作系统有能力进行适当的解析。

当然，是否需要开发设备驱动程序，还取决于选择的开发方式，即使两个USB设备的功能完全一样，你可以选择 按某类标准设备进行开发 ，也可以 自行开发设备驱动程序 。选择前者就意味着不需要单独开发设备驱动程序（甚至应用程序），带来的好处就是开发流程简洁且周期短，大多数简单的USB设备都可以这么做，而缺点在于 无法最大限度地挖掘USB设备的潜力 。换句话说，USB主机只能以一定有限的能力与USB设备打交道。如果你对USB设备开发已经非常熟悉了，开发周期对你来说也完全不是事，而且对USB设备要求比较高，那么你也可以选择自行开发设备驱动程序。

设备驱动程序 的具体开发形式也有几种，Windows 2000/XP/2003平台采用Windows驱动模型（Windows Driver Model, WDM），使用相应的驱动程序开发包（Driver Developer Kit, DDK）是开发方式之一，但是它对开发者要求比较高，可以理解为专门开发驱动的工程师采用的方式（简单地说，开发难度大）。为了简化驱动程序的开发，康博（Compuware）公司开发的DriverStudio软件平台对DDK进行了封装，使用起来更加方便，减少了开发时间，曾一度成为 设备驱动程序 的主流开发方式之一。后来，微软对WDM进行了优化，推出了全新的Windows驱动框架（Windows Driver Foundation, WDF），并提供相应的驱动开发包（Windows Driver Kit, WDK），它提供了面向对象和事件驱动的驱动程序开发框架，大大降低了开发难度，也直接导致了DriverStudio软件平台退出了历史舞台（不再支持最新的操作系统），掌握Windows设备驱动程序的开发人员，由过去的“专业”人士变为“普通”大众。

随着时代的快速发展， 设备驱动程序 的开发也已经变得更加简单了，即使我们 不编写任何一行核心驱动程序代码 ，也能够轻松访问操作系统上的任意一个USB设备，只需要安装USB通用设备驱动程序即可，WinUSB与LibUSB就是目前应用广泛的两种，前者由微软提供且仅适用于Windows操作系统，后者则适用于包含Windows在内的多种操作系统，也是本书重点讨论的对象。

如果实在有必要，可能还需要开发与USB设备配套的 应用程序 ，你可以将其理解为“能够进行数据分析、展示、控制等功能”的窗口界面（当然，也可以没有窗口界面）。如果你的USB设备不需要这样的功能，那就不需要做什么。例如，USB鼠标就不需要开发对应的 应用程序 ，我们直接将其插入主机的USB接口就可以使用。而很多诸如逻辑分析仪、示波器等USB设备还会配带相应的 应用程序 ，设备采集完数据发送到主机之后，还需要配套的 应用程序 进行数据分析并以图形的方式展示出来方便观察，此时 应用程序 设计就是必需的步骤。换句话说，如果USB设备往主机传输的数据需要 特定应用程序 去解析，通常就需要进行 应用程序 的设计。

使用成熟的框架是Windows 应用程序 的主要开发手段，比较常用的有MFC（Microsoft Foundation Class,微软基础类库）、.NET与QT。其中，MFC与.NET是微软提供的框架（相应的开发工具为Microsoft Visual Studio），后者更是微软当前主推的框架，QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架。本书决定选择MFC，因为其相关学习资料很丰富，非常有利于初学者快速定位开发过程中的问题所在。当然，你并不需要对MFC很熟悉，我们只会使用向导创建一个对话框应用程序，并在其中编写一些用来访问USB设备的简单源代码。你也可以根据自身的知识储备选择其他熟悉的框架，只要在Windows平台下进行USB主机应用程序的开发，不同开发框架的选择对理解相关内容并没有影响，关键在于掌握 Windows平台下访问USB设备的基本原理 。 v2O6Ik7blJVZRF5enPWPjD3M3jujVCJuatMv3VZ4UqZXde3vl+qw6S8kZTW2vw+p