[转]Windows2000下USB接口的IC卡读写装置客户程序设计

摘要：分析了Windows2000下USB客户程序的框架，并就如何开发Windows2000下USB接口的IC卡读写装置客户程序进行了阐述。

    关键词：USB总线 客户程序 IC卡 Windows2000

IC卡是高科技的产物，它广泛用于银行、电信、交通运输、小区管理、校园管理等领域，体现了它的巨大优越性。作者在开发一个IC卡机房收费系统时遇到了新问题，那就是当计算机和IC卡装置通信的时候，如果采用传统的串行通信方式固然可行，但供电必须休用单独的外置电源，这样加大了读卡装置的体积。通过翻阅资料发现USB接口可以输出5V电压、500mA的电流，能满足IC卡装置对电源的要求。另外，USB接口和Windows2000操作系统能良好地融合，支持即插即用和电源管理的新特性，使得其与主机的相连日趋简单和轻松。因此决定开发USB接口的IC卡读写装置，一方面可以解决供电问题，使读写装置使用方便；另一方面也可以满足其它方面的性能需求。

USB需要主机硬件、操作系统和外部设备三个方面的支持才能工作。目前主板一般都有支持USB功能的控制芯片张和USB接口插座。微软Win9x操作系统以及Windows2000均支持USB，并提供了底层的驱动程序，新版的Linux也支持USB。在USB设备方面，目前有许多公司生产支持USB的微控制器，比较著名的有Motorola公司的MC68HC05系列，Intel公司的80931HA，Cypress公司的CY7C63系列等。可以说，USB的发燕尾服已得到各软硬件厂商的支持。前景光明。

1 Windows2000下的USB架构

主机要使用USB设备，必须有驱动程序。微软操作系统中，Windows98支持USB，WindowsNT4.0不支持USB，NT5.0（Windows2000）支持USB。Windows2000和Windows98对USB的支持主要是基于WDM（Windows驱动程序模型）技术，因此USB驱动程序是WDM驱动程序。WDM驱动程序采用分层结构，由两部分组成，一个为功能驱动程序，即通常所说的驱动程序，它负责指挥硬件工作，由类驱动程序和小类驱动程序构成；另外一个为总线驱动程序，它负责管理计算机和硬件之间的连接。在功能驱动程序上层和下层，一些设备还具有过滤驱动程序。它们的作用是监视功能驱动程序执行I/O操作及修改已有的功能驱动程序。

Windows2000 USB驱动程序框架由USB功能驱动程序和USB总线驱动程序组成。SUB总线驱动程序由Windows2000提供，包括USB主控制器驱动程序（OPENHCI.SYS或UHCD.SYS，它们分别支持不同的SUB主控制器）、USB HUB驱动程序（USZBHUB.SYS）以及为控制器驱动程序使用的类驱动程序（USBD.SYS）。它们一起组成了USB驱动程序栈，可为所有的USB设备驱动程序共用。用户或厂商所写的针对特定USB设备的WDM驱动程序称为功能驱动程序或客户驱动程序（位于USB驱动程序栈的上层）。它并不直接访问硬件，而是调用驱动程序栈完成对硬件的操作。USB驱动程序栈通过USBDI（USB Driver Interface）向客户驱动程序提供WDM系统服务。

Windows2000下USB驱动程序栈如图1所示。

有过驱动程序编制经验的人都知道，编写驱动程序是一项需要较高技巧并且很繁琐的工作。对于某一些USB规范定义的类设备，微软提供了类驱动程序，负责该设备的设备驱动。对于这类设备，系统能够自动识别它们，并不需要附加额外的驱动程序，用户只需编写普通的Win32程序即可对其进行访问。目前，Windows2000为HID（Human Input Device人工输入设备）类、音频设备类等提供了类驱动程序。

HID设备，顾名思义是指那些能被人们用来直接输入数据给计算机的设备，例如键盘、鼠标、游戏杆及其他虚拟现实设备如数据手套等。尽管HID设备概指人工输入设备，但是那些传输数据量较小、传输速度较慢的设备，因与输入设备类似，也可归类为人工输入设备，例如远程控制设备、面板等。IC卡读写装置与计算机之间的数据交换具有量小、传输速度慢、双向传输的特点，因而可归类为HID设备。HID设备包括USB接口的设备及其他接口的设备。USB类规范中详细定义了USB接口的人工输入设备类标准及HID设备的用法表，任何USB接口的HID应该遵循这个规范。

Windows98仅支持USB接口的HID设备；Windows2000支持USB接口的HID及其他接口的HID设备，Windows2000为人工输入设备类提供的支持包括：

（1）Windows2000包含HID驱动程序（hidclass.sys及hidusb.sys，Hidparse.sys）文件，为USB接口的HID设备提供内置的驱动程序支持。

（2）Windows2000提供了HID.dll为用户模式及内核模式的程序提供了一些可用的API（应用程序接口）和DDI（设备驱动程序接口），可用来编写基于HID类的应用程序。

（3）对非USB接口或非HID设备可通过编写小类驱动程序间接使用HID类驱动程序，省去了重新编写类驱动程序的麻烦。

因此，对于USB接口的HID设备，通常用户只需要编写用户模式的客户程序，使用Win32 API函数对USB HID设备进行操作，不需要再编写额外的驱动程序。但在有些情况下，用户也也需要编写一些基于HID类驱动程序的内核客户驱动程序。譬如，需要向HID设备发送命令而不仅仅是读取或写入数据时，可能需要编写内核模式的HID程序。对于本IC卡读写装置，由于只涉及到一般的数据读写操作（将数据在IC卡和主机之间双向传递），以及较少量的控制操作，并不需要编写内核模式的客户驱动程序。

图2是客户程序与IC卡读写装置的交互过程。

2 USB接口的HID客户程序

这里说的客户程序是指在主机上运行，负责和USB设备通信的那部分程序。包括两种类型：用户模式下的客户程序以及内核模式下的客户驱动程序。USB HID客户程序执行两大主要任务：设备枚举和设备操作。设备枚举是指客户程序和USB设备交互，

获取其配置住处，譬如设备有几个配置，每个配置包括多少接口等，并执行一些操作如选择配置，这期间主工是与各类描述符结构打交道。在设备操作的时候，客户程序处理从用户程序发出的请求，并与设备进行通信，完成操作。

USB HID客户驱动程序并不直接和硬件打交道，而是通过调用HID类以及USB设备栈是提供的DDI服务控制USB硬件的操作。USB客户驱动程序将有关的控制信息包装在URB（USB请求块）结构中，作为IRP的一个参数传递给HID类驱动程序，类驱动程序再调用USB设备栈的下层驱动程序，获取有关的控制信息，与具体的USB设备进行交互，并返回结构给USB客户驱动程序。

USB接口HID内核模式的客户驱动程序是WDM驱动程序，它们支持即插即用和电源管理。其结构和普通WDM驱动程序一样，由很多例程构成。在这些例程中可以调用HID类提供的各种DDI函数（一般以HIDP开头）完成设备的操作。

3 USB接口的IC卡读写装置用户模式客户程序

IC卡读写装置采用Cypress公司生产的CY7C63001A微控制器。该芯片是8位一次性编程的微控制器，内置1.5Mbps的USB串行接口引擎。该芯片35条专门用于USB操作的指令，20个引脚，128字节的RAM以及4K字节的可编程空间，可以满足IC卡读写程序存储的需要。CY7C63001A芯片与主机USB端口的互连如图3所示。

3.1 IC卡设备部分的描述符结构

按HID类规范的规定，对于每一个USB接口的HID设备，应包含以下几个描述符：设备描述符、配置描述符、接口描述符、HID类描述符及端点描述符。这些描述符定义了本USB设备的基本信息，如零售商ID（应该向USB组织申请，本设备采用0X4242H）、产品ID、配置数目（1个）、接口数目（1个）、端点数目（1个，控制端点为缺省的，还包括一个中断输入端点）及设备类别等。对于HID设备，在接口描述符中需要规定其类ID为3，在HID类描述符中需要规定其描述符类型为0X21。HID类设备的基本通信机制是HID报告。每一个HID设备必须定义一个报告描述符，用以详细描述该设备报告的数据协议及数据类型。报告描述符由主项目、局部项目和全局项目组成。一个报告必须包含下列项目：Input(Output或Feature)，Usage,Usage Page,Logical Minimum,Logical Maximum,Report Size,Report Count。每一个数据项的位长度等于Report Size × Report Count。不同的报告通过报告ID相互区分，用法（Usage）表明该用法页（Usage Page）下各个数据的具体含义或目的。报告的大小并不受端点的结束，主机会自动将报告分解成适合传输大小的数据包。

本系统中，IC卡数据以字节为单位读出、写入。一次最多读取或写入8个字节，再加上命令字（表明数据的含义）及结束标志，最长为13个字节。输入报告描述符如下所示：

usage 01-vendor defined

usage 02-vendor defined

Logical Minimum (-128)

Logical Maximum (127)

Physical Minimum (0)

Physical Maximum (255)

Report Size （13）（fields） //一个字节为8位

Report Conut (13) (fields) //最大为13个字节

Input(Data, Variable,Absolute)

为了更好地说明设备的信息，还可以为USB设备定义可选的字符串描述符。定义字节串描述符的好处是可以让主机显示有意义的设备信息，如厂商名称、产品名称等，这对于非通用设备很有好处。本IC卡设备为非通用设备，因此也定义了字符串描述符。另外，字符串语言可通过LanguageID设备，微软规定中文的LanguageID为0804H，美国英语的LanguageID为0409H。

3.2 用户模式客户程序的编制步骤

HID类驱动程序及HID.DLL提供了两类读写USB设备的函数。一类是以HidP为前缀，适用于内核模式的客户驱动程序。另外一类是以HidD为前缀，适用于用户模式的客户程序。利用这些函数编制读写USB设备的步骤如下：

第一步，检测已安装的HID设备，或称USB设备枚举。在和USB设备通信之前，必须得知设备的配置、接口及所用的端点信息，还要获取设备名。

·首先调用HidD_GetHidGuid函数获取HID设备的类标识（GUID）；

·调用SetupDiGetClassDevs函数查询所有已安装的HID设备，得到一个指向该HID设备集合的句柄；

·调用SetupDiEnumDeviceInterface函数查询HID设备集中每一个设备的接口信息；

·对每一个接口，调用SetupDiGetDeviceInterface Detail函数获取其详细的信息，包括设备名称（头四个字节），CreateFile用此设备名打开设备。

·调用SetupDiDestroyDeviceInfoList函数释放设备信息集合。

第二步，打开设备，获取设备的属性值以及设备能力描述。

·调用CreaterFile函数打开本设备。

·调用HidD_GetAttributes函数，获取USB设备的有关属性。它包含了设备的零售商ID、产品ID及产品的版本号等。可以根据这些信息判断该设备是否为目标设备。

·调用HidD_Get PraparsedData函数，获取USB设备的预解析数据。这些数据存储在缓冲区内，该缓冲区的数据也可以为其它API函数使用；

·调用HidP_GetCaps函数从上述缓冲区中获取关于该设备能力（如用法、报告描述符的大小等）的描述。调用HidP_GetValueCaps函数得到每一个设备的输入、输出及特征报告的属性值。调用HidD_GetXXXString函数，获取设备的字符串描述信息。

第三步，与HID设备交互。

主机在接收报告的时候，需要从报告中提取数据。由于报告中包含了各种类型的数据，为了便辨别不同类型的数据，HID类提供了HidP_GetXxx例程，从设备中读取不同类型的数据。如果程序员知道各个数据的含义，则可直接使用ReadDFile函数读出数据。本程序直接使用ReadFile函数读出数据。同样，主机发送数据给设备的时候，也要先创建报告；为了方便发送不同类型的数据给设备，HID类提供了HidP_SetXxx函数。当然，如果程序员知道各个数据的含义，也可以直接使用WriteFile函数将报告传给设备。

完成设备操作后，应关闭设备句柄，释放预解析数据所占用的内存区域。

微软为了方便串行通信，提供了一个MSCom控件。同样，为了方便类似USB接口的HID设备通信，可以将以上的通信程序制作成控件，供不同的HID设备使用。