作者：罗冰(Robin)

请保留-> 【原文：  https://blog.csdn.net/luobing4365 和 http://yiiyee.cn/blog/author/luobing/】

昨天有位名为“sam bing”的网友，提到用VS2015和EmulatorPkg调试UEFI程序。调试方法在之前的博客中讨论过，他是参照博客去操作的。

问题在于，他发现在工程中使用C标准库函数，也即StdLib后，在EmulatorPkg中无法编译通过，也就无法通过EmulatorPkg进行64位C标准库工程的调试了。

这个问题我也觉得奇怪，理论上不应该啊。

上午处理完项目相关的事情后，正好有点时间，就着手进行这个问题的分析了。

1 搭建开发环境

我日常都是在vUDK2018下进行开发，主要是因为它还支持Nt32Pkg，方便我随时使用模拟器进行调试。

为了分析这个问题，我得用一个相对较新的版本来测试。正好前段时间整理书稿的时候，搭建了一个开发环境，看了下版本：

robin@DESKTOP-083AISO:/mnt/c/srcEDKx/edk2$ git log
commit ca407c7246bf405da6d9b1b9d93e5e7f17b4b1f9 (HEAD, tag: edk2-stable202005)
Author: Ard Biesheuvel <ard.biesheuvel@arm.com>
Date:   Wed May 20 13:44:48 2020 +0200

ArmPkg/CompilerIntrinsicsLib: provide atomics intrinsics
…..//后略

robin@DESKTOP-083AISO:/mnt/c/srcEDKx/edk2$ ls
AppPkg          DynamicTablesPkg     License.txt      RobinPkg             StdLibPrivateInternalFiles
ArmPkg          EmbeddedPkg          Maintainers.txt  RobinPkg1            UefiCpuPkg
ArmPlatformPkg  EmulatorPkg          MdeModulePkg     SecurityPkg          UefiPayloadPkg
ArmVirtPkg      FatPkg               MdePkg           ShellPkg             UnitTestFrameworkPkg
BaseTools       FmpDevicePkg         NetworkPkg       SignedCapsulePkg     edksetup.bat
Build           IntelFsp2Pkg         OvmfPkg          SourceLevelDebugPkg  edksetup.sh
Conf            IntelFsp2WrapperPkg  PcAtChipsetPkg   StandaloneMmPkg      pip-requirements.txt
CryptoPkg       License-History.txt  ReadMe.rst       StdLib

使用的是2020年的5月版，为了方便使用，我把StdLib、AppPkg等包，以及我自己的包RobinPkg一股脑都放在了edk2的同一目录下了。

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最近有个项目开发，我需要构建几个UEFI图形对话框，用来接受用户的密码修改和输入。大致的样子是这样的：

开发过程中，发现使用VS编译和GCC编译的结果不同。一番折腾后，了解到是强制转换引起的问题。

之前有个问题集的博客，本想把这个问题也扔到那边去，不过在寻找问题原因的过程中，使用了各种调试手段，我觉得有必要记录下来，作为未来开发的参考。

因此有了这篇博客。

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上一篇使用hidapi的hidraw方式，实现了Linux上位机与USB HID设备通信的测试程序。不过，只实现了三种通信方式中的两种。本篇将使用hidapi的libusb方式，将三种通信方式全部实现。

1 建立开发目录

与上一篇一样，首先建立开发用的目录。新建文件夹hidlibusb，将以下文件拷贝进去：

libusb/hid.c
hidapi/hidapi.h
hidtest/test.c

为目前的代码编写Makefile，内容如下：

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对于USB HID的编程，在YIE002USB开篇时，就已经讨论过：

1. 下位机是使用YIE002制作的USB HID设备，这是嵌入式开发；
2. 上位机包括了Windows系统、UEFI系统和Linux系统。

上位机软件中，没有把Mac OSX包含进来，主要是因为我较少在苹果的系统上开发，而且也可以将其等同于Linux系统看待（同属于类Unix系）。

至今为止，Windows系统和UEFI系统，我们都已经完成了上位机的软件编写，下面该进入Linux的USB HID上位机软件开发了。

1 概述

对于Linux下的HID，网站“The Linux Kernel”上有非常详细的描述，值得仔细阅读，网址为：
https://www.kernel.org/doc/html/latest/hid/index.html。

我们所要访问的设备，是USB HID设备。在Linux系统中，常用的USB开源库，是libusb。这是一个用C语言开发的，跨平台的USB设备访问接口库。

在Github上找到这个开源库后，通读了一遍其文档。理论上使用它，可以完整地实现我们所需要的功能。不过，文档中也建议，如果是访问HID设备的话，可以使用hidapi。

hidapi是一个开源的操作HID设备的C语言库，适用于Windows、Linux和Mac OSX平台。它是针对HID设备的，对于其他USB设备不合适。

其源码仓库为：https://github.com/libusb/hidapi，主要目录如下：

hidapi: 头文件（所有平台共用一份头文件）hidapi.h
libusb：Linux系统实现源码文件hid.c，使用libusb库实现的方式
linux：Linux系统实现源码文件hid.c，使用内核接口（hidraw）实现方式
windows：Windows系统实现源码文件hid.c
mac：Mac OSX 系统实现源码文件hid.c
hidtest：测试代码 test.c

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通过前面几个篇章的博客，制作好了USB HID设备，并使用Windows下的上位机工具UsbHID，测试了设备的工作状态。

终于，可以在UEFI系统下构建访问USB HID设备的工程了。

我们所制作的USB HID设备，在Windows系统下可以成功通信，这也意味着，在UEFI环境下，我们也可以与之通信。

首先，使用linux下的lsusb工具，查看下我们之前实现的USB HID设备：

robin@robin-virtual-machine:~$ sudo lsusb -v -d 0x8765:4321
Bus 002 Device 004: ID 8765:4321  
Device Descriptor:
  bLength                18
  bDescriptorType         1
  bcdUSB               2.00
  bDeviceClass            0 (Defined at Interface level)
  bDeviceSubClass         0 
  bDeviceProtocol         0 
  bMaxPacketSize0        64
  idVendor           0x8765 
  idProduct          0x4321 
  bcdDevice            2.00
  iManufacturer           1 Robin
  iProduct                2 Robin's UEFI Explorer
  iSerial                 3 My123
  bNumConfigurations      1
  Configuration Descriptor:
    bLength                 9
    bDescriptorType         2
    wTotalLength           41
    bNumInterfaces          1
    bConfigurationValue     1
    iConfiguration          0 
    bmAttributes         0xe0
      Self Powered
      Remote Wakeup
    MaxPower              100mA
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        0
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           2
      bInterfaceClass         3 Human Interface Device
      bInterfaceSubClass      0 No Subclass
      bInterfaceProtocol      0 None
      iInterface              0 
        HID Device Descriptor:
          bLength                 9
          bDescriptorType        33
          bcdHID               1.10
          bCountryCode            0 Not supported
          bNumDescriptors         1
          bDescriptorType        34 Report
          wDescriptorLength      33
         Report Descriptors: 
           ** UNAVAILABLE **
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x81  EP 1 IN
        bmAttributes            3
          Transfer Type            Interrupt
          Synch Type               None
          Usage Type               Data
        wMaxPacketSize     0x0040  1x 64 bytes
        bInterval              32
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x01  EP 1 OUT
        bmAttributes            3
          Transfer Type            Interrupt
          Synch Type               None
          Usage Type               Data
        wMaxPacketSize     0x0040  1x 64 bytes
        bInterval              32
Device Status:     0x0003
  Self Powered
  Remote Wakeup Enabled

从中可以看出，自制的USB HID设备，端点1可以使用中断传输的方式进行通信。另外，在上述的信息中没有列出报表描述符，此设备支持通过Output report& Input report、Feature report的方式进行通信，传输字节为16字节。

本篇介绍如何在UEFI系统下，实现对应这三种通信方式的代码，主要实现步骤如下。

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3 EFI_USB_IO_PROTOCOL

EFI_USB_IO_PROTOCOL由USB总线驱动产生，可由UEFI应用和驱动使用，用来访问各种USB设备，比如USB键盘、鼠标和大容量存储设备等。EFI_USB_IO_PROTOCOL所提供的接口，可提供四种类型的传输方式与USB设备通信，即之前介绍过的控制传输、中断传输、批量传输和实时传输。

EFI_USB_IO_PROTOCOL的函数接口如下所示：

typedef struct _EFI_USB_IO_PROTOCOL {
  EFI_USB_IO_CONTROL_TRANSFER UsbControlTransfer;   //控制传输
  EFI_USB_IO_BULK_TRANSFER UsbBulkTransfer;          //批量传输
  EFI_USB_IO_ASYNC_INTERRUPT_TRANSFER  \
                          UsbAsyncInterruptTransfer;   //异步中断传输
  EFI_USB_IO_SYNC_INTERRPUT_TRANSFER UsbSyncInterruptTransfer //同步中断传输
  EFI_USB_IO_ISOCHRONOUS_TRANSFER UsbIsochronousTransfer;      //实时传输
  EFI_USB_IO_ASYNC_ISOCHRONOUS_TRANSFER \
                          UsbAsyncIsochronousTransfer; //异步实时传输
  EFI_USB_IO_GET_DEVICE_DESCRIPTOR UsbGetDeviceDescriptor; //获取设备描述符
  EFI_USB_IO_GET_CONFIG_DESCRIPTOR UsbGetConfigDescriptor; //获取配置描述符
  EFI_USB_IO_GET_INTERFACE_DESCRIPTOR \
                        UsbGetInterfaceDescriptor;               //获取接口描述符
EFI_USB_IO_GET_ENDPOINT_DESCRIPTOR UsbGetEndpointDescriptor;
//获取端点描述符
  EFI_USB_IO_GET_STRING_DESCRIPTOR UsbGetStringDescriptor;//获取字符串描述符
  EFI_USB_IO_GET_SUPPORTED_LANGUAGES UsbGetSupportedLanguages;//获取支持语言
  EFI_USB_IO_PORT_RESET UsbPortReset;                        //重启USB控制器
} EFI_USB_IO_PROTOCOL;

对照之前介绍过的USB协议的知识，很容易理解EFI_USB_IO_PROTOCOL所提供的各类接口函数。下面主要介绍下常用的两个接口函数，UsbGetDeviceDescriptor()和UsbControlTransfer()，其他接口函数的说明，请查询UEFI Spec。

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通过前面几篇博客，我们制作了具备通信能力的USB HID设备。使用之前写的Windows下的测试工具，设备工作得很好。

同样的，UEFI环境下，也可以编写上位机程序，访问USB HID设备。本篇主要介绍UEFI对USB的支持，包括UEFI的USB驱动架构和提供的USB Protocol。

1 UEFI下的USB驱动协议架构

在UEFI系统中，包含USB主控制器驱动、USB总线驱动和USB设备驱动，它们共同工作构建了UEFI平台的USB驱动协议栈。USB驱动协议栈的模型如图1所示，图中演示了USB驱动的关系和使用的Protocol。

平台硬件的PCI总线上，提供了一个单独的USB控制器。PCI总线驱动为USB主控制器句柄安装Protocol，包括EFI_DEVICE_PATH_PROTOCOL和EFI_PCI_IO_PROTOCOL。而USB主控制器则使用EFI_PCI_IO_PROTOCOL，在其句柄上安装EFI_USB2_HC_PROTOCOL。

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在介绍完所有背景知识后，终于可以进入实质的嵌入式编程了。

本篇拟使用YIE002开发板，制作一个USB HID设备，支持三种通信方式，以对应UEFI开发探索73和74所讨论的三种上位机通信。

这个系列的博客，主要还是偏向UEFI编程的探索，对于嵌入式的编程，不想讨论过多。对于YIE002的嵌入式开发，请移步我另外一个专栏“嵌入式开发”，在其中我开了一个新坑，用来探索YIE002的编程。

1 YIE002-STM32的USB编程

这款开发板的主芯片是STM32F103C8T6，是我出差最常带的版型。本篇所写的代码，适用于所有F1系列作为主芯片的开发板，比如正点原子的战舰开发板。

从意法的官方资料可知，STM32 MCU有如下USB IP：

1. USB IP 可作为全速USB设备，存在于STM32F102、STM32F103；
2. USB+ IP 可作为全速USB设备，存在于STM32F0x2；
3. FS OTG IP 可作为全速和低速USB主机、全速USB设备，存在于STM32F105、STM32F107、STM32F2、STM32F4；
4. HS OTG IP 可作为高速、全速和低速USB主机，可作为高速和全速USB设备，存在于STM32F2、STM32F4。

官方也提供了不同的USB库，以适应开发需求。比如针对USB IP和USB+ IP，提供的库如图1所示。

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在之前的博客中，曾经谈到制作USB HID需要掌握的背景知识。包括USB软件架构、USB描述符和USB命令。前两个已经讨论过了，本篇介绍USB命令。

1 USB命令（USB Device Request）

USB规范定义了设备请求（USB Device Request），以更好地完成USB主机对总线上所有USB设备的统一控制。此设备请求由USB主机发往USB设备，为方便理解USB主机和设备间的主从关系，后续行文中一律称为“USB命令”。

USB命令包括USB标准命令、类命令和厂商命令。这些命令的格式都是相同的，如表1所示。

表1 USB命令的结构

标准命令是每种USB设备都要支持的，类命令则与USB设备所述类有关，比如USB HID设备有HID类特有的命令，如Get_Report、SetReport等。

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我们所要开发用来通信的USB设备，是HID类设备。HID（Human Interface Devices）为人机接口设备，是USB规范中最早提出并支持的一种设备类。我们日常使用的键盘、鼠标等，都属于HID设备，这是一种使用非常广泛的USB设备。

USB规范中，HID类设备的规范为Device Definiton for Human Interface Devices，每个HID设备都必须符合该规范中对描述符、传输类型等的定义。另外，USB-IF还提供了HID的用例规范，名为HID Usage Tables，定义了HID设备和USB主机之间通信的HID数据。所有的 HID 传输都是使用默认控制管道或是一个中断管道， HID 设备必须有一个中断输入端点来传送数据到主机，中断输出端点则不是必需的。

HID设备的标准描述符同样遵循上一篇所介绍的内容，也即拥有各种标准描述符。对于HID设备，其设备描述符的类代码、子类代码和协议代码都需要设置为0；接口描述符的类代码设为0x03，子类代码为0或者0x01，协议码为0、0x01或0x02。

当然，作为类设备，HID也有自己的描述符，也即人机接口类描述符，本篇介绍这些内容。

HID设备支持3种类描述符：HID描述符、报告描述符和物理描述符。一个USB设备只能包含一个HID描述符，可以支持多个报告描述符，而物理描述符是可选的。在本章的示例中，只用到了HID描述符和报告描述符，没有使用物理描述符，一般的HID设备也不使用该描述符，就不再进行介绍了。

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