STM32 WinUSB(WCID)免驱高速通信 20M/s（附详细测试）
1 概述
1.1 WCID 简介
WCID全称为“WINDOWS Compatible ID”，是一种可提供额外的信息，在Windows系统中，为了便于驱动程序自动安装，并在某些情况下，允许即时访问的USB设备。
WCID允许Windows应用程序几乎在插入后立即使用设备，这既不是HID也不是大容量存储的USB设备需要最终用户执行手动驱动程序安装。因此，WCID可以做到像HID和大容量存储USB设备那样“即插即用”。WCID是WinUSB设备功能的扩展，由Microsoft在Windows8开发人员预览版期间提出，WinUSB自Windows XP SP2以来一直是Windows一部分的功能。
WinUSB设备是一种通用串行总线(USB)设备，其固件定义了某些Microsoft操作系统(OS)特征描述符，这些描述符将兼容ID报告为"WINUSB"。WinUSB设备的用途是让Windows将Winusb.sys作为设备的功能驱动程序载入，而无需自定义INF文件。对于WinUSB设备，你无须为设备分发INF文件，这大大简化了驱动程序安装过程。截至2012年5月，从Windows Vista开始的所有平台上都提供了自动 WinUSB WCID 驱动程序。在 Windows 8 或更高版本地系统上已经集成了该驱动程序，这意味着Windows 8 或更高版本地系统上不需要安装驱动程序，系统自动会匹配WinUSB驱动，而对于Vista、Windows7、XP系统，可以通过一些第三方软件（如Zadig）来安装或生成WCID版本的驱动程序，同样只需要安装一次WCID版本的驱动软件，以后所有WCID设备都可以使用该驱动，间接实现了免驱。
在WCID之前，只有标准类别的USB设备，如HID（USB键盘、鼠标、游戏杆等）或大容量存储（U盘、基于闪存的存储、媒体播放器等）不需要安装驱动程序，因为Windows会在设备第一次插入时自动处理。而其他设备通常需要自己手动提供和安装驱动程序，在WIN8以后厂家自己提供的驱动程序还可能受到微软的驱动程序签名限制，造成不必要的麻烦。
原文参考：https://github.com/pbatard/libwdi/wiki/WCID-Devices
1.2 WinUSB限制条件
WinUSB有许多限制条件，一般来说注意以下几点即可：
1) WinUSB不支持Windows 2003 ( 32bit/64bit )；
2）WinUSB不支持Windows XP 64位（可以通过第三方驱动支持）；
3) USB设备版本必需是2.0或2.0以上，WinUSB不支持USB1.0和1.1。
原文参考：https://www.cnblogs.com/shangdawei/archive/2013/04/17/3026394.html
2 WinUSB设备枚举关键信息
设备枚举为WinUSB的三个关键信息：
1）OS字符串描述符；
2）扩展兼容ID OS功能描述符；
3）扩展属性OS功能描述符；
2.1 支持OS字符串描述
当有USB设备插入，系统会向设备索取设备描述符，根据设备描述符中的bcdUSB版本号判断是否检索0xEE位置的OS设备字串描述符，如果bcdUSB版本号大于等于2.0，则系统会检索0xEE位置的OS设备字串描述符，支持WinUSB的OS描述如下：
如果0xEE处的OS描述符不存在或者描述格式不正确，系统将设置osvc值为0x0000，表示该USB设备不是WCID设备。如果OS描述正确，系统将osvc设置为0x01##。
2.2 设置兼容ID特征描述符
在获取到osvc为有效值的前提下，系统将进一步获取兼容ID特征描述符，索引号为0x04，兼容ID特征描述符包含紧跟一个或多个功能部分的标题部分，具体取决于是否是复合设备。标题部分指定整个描述符的长度、功能部分的数量以及版本号。对于非复合设备，标题后紧跟一个仅与设备的接口关联的功能部分。该部分的compatibleID字段必须指定"WINUSB"作为字段值。复合设备有多个功能部分。每个功能部分的compatibleID字段必须指定"WINUSB"。兼容ID特征描述符格式如下：
2.3 扩展属性描述符
最后是添加扩展属性描述符，注册设备接口GUID，包含紧跟一个或多个自定义属性部分的标题部分，索引号为0x05。标题部分描述整个扩展属性描述符，包含其总长度、版本号以及自定义属性部分的数量。WinUSB应用程序正是通过GUID来检索对应的USB设备，并进行访问，详细定义如下表所示：
3 USB枚举过程
通过Keil调试可以获取到USB枚举的全部信息，如下图所示。枚举过程中共有40条交互信息：
在Excel中统计如表格所示，第一列表示方向：1为Windows往设备发，0为设备回复信息。
- 当Windows检测到有USB设备插入，首先会向设备索取设备描述符长度，设备正确回复后Windows分配USB设备地址，并以之前收到的实际长度去获取完整的设备描述符；
- 获取USB设备信息，包含基本配置、设备接口、端点等信息；
- Windows判断第一步获取的bcdUSB版本号如果大于等2.0，则还会索引0xEE处的OS字符串描述符，确认设备是否支持WCID，若回复内容为MSFT100则说明该设备支持WCID，后续才会继续获取兼容ID特征描述等；
- 获取兼容ID特征描述符，回复兼容信息为WinUSB设备；
- 获取兼容ID后，系统会根据兼容ID的情况请求属性描述符，对于WinUSB设备需要注册设备接口GUID；
- 后续其他信息获取…
4 实例应用
4.1 生成USB 工程
本实例采用STM32F405RGT6 + USBS3300 实现USB HS 高速WinUSB设备，使用STM32CubeMX生成基础工程，CubeMX版本号为6.3，STM32F4 package版本为1.26.2，电脑系统为WIN10。
备注：USB FS同样按如下使用方法，需要注意的是USB FS只能用外部时钟，且配置时需要注意外部时钟频率！！
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详细配置及参考工程请移步淘宝店：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.11.18cc4864SdV6xL&id=660992604144&ns=1&abbucket=20#detail
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1）打开CubeMX选择MCU型号STM32F405RGT6：
2）按如下顺序在Connectivity中选中USB_TG_HS，然后设置External Phy为Device_Only，并且将NVIC的三个中断都勾选上：
3）按如下步骤在Middleware选项中选择USB_DEVICE，右侧HS IP选择Communication Device Class(Virtual Port Com)，然后在Device Descriptor中设置相关属性：此处VID PID分别设置为0x1234、0xABCD（可自行更改，点击输框右侧小齿轮将格式改为16进制显示）；设置PRODUCT_STRING，些处以GUOXUAN为例（可自行更改），这个字符串就是最终显示在设备管理器中的名字；设置CONFIGURATION_STRING 和 INTERFACE_STRING，固定为WINUSB_Config 和 WINUSB Interface。
4）点击下一页Clock Configuration 直接点确定会自动配置好时钟：
5）点击下一页配置工程信息，适当将堆栈容量改大，避免一些意外问题，设置好后点击右上角生成工程：
6）生成好后直接编译工程，可以编译成功：
将程序烧入单片机后连接电脑，该USB设备被识别成了串口，并且没有显示出产品字符串，因为设备描述符没有修改，设备被枚举成了CDC串行通信类：
4.2 修改工程文件
(1) 增加兼容ID描述符和扩展属性描述符定义，其中扩展描述符中的GUID定义可根据实际需求更改，本文以{12345678-ABCD-1234-ABCD-FEDCBA987654}为例：
//-----------ADD GUOXUAN----------------#define USB_LEN_OS_FEATURE_DESC 0x28__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_WINUSB_OSFeatureDesc[USB_LEN_OS_FEATURE_DESC] __ALIGN_END ={0x28, 0, 0, 0, // length0, 1, // bcd version 1.04, 0, // windex: extended compat ID descritor1, // no of function0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, // reserve 7 bytes// function0, // interface no0, // reserved'W', 'I', 'N', 'U', 'S', 'B', 0, 0, // first ID0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, // second ID0, 0, 0, 0, 0, 0 // reserved 6 bytes };#define USB_LEN_OS_PROPERTY_DESC 0x8E__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_WINUSB_OSPropertyDesc[USB_LEN_OS_PROPERTY_DESC] __ALIGN_END ={0x8E, 0, 0, 0, // length 246 byte0x00, 0x01, // BCD version 1.00x05, 0x00, // Extended Property Descriptor Index(5)0x01, 0x00, // number of section (1)//; property section 0x84, 0x00, 0x00, 0x00, // size of property section0x1, 0, 0, 0, //; property data type (1)0x28, 0, //; property name length (42)'D', 0,'e', 0,'v', 0,'i', 0,'c', 0,'e', 0,'I', 0,'n', 0,'t', 0,'e', 0,'r', 0,'f', 0,'a', 0,'c', 0,'e', 0,'G', 0,'U', 0,'I', 0,'D', 0,0, 0,// change by yourself0x4E, 0, 0, 0, // ; property data length'{', 0,'1', 0,'2', 0,'3', 0,'4', 0,'5', 0,'6', 0,'7', 0,'8', 0,'-', 0,'A', 0,'B', 0,'C', 0,'D', 0,'-', 0,'1', 0,'2', 0,'3', 0,'4', 0,'-', 0,'A', 0,'B', 0,'C', 0,'D', 0,'-', 0,'F', 0,'E', 0,'D', 0,'C', 0,'B', 0,'A', 0,'9', 0,'8', 0,'7', 0,'6', 0,'5', 0,'4', 0,'}', 0,0, 0,};//------------------------------(2)增加OS字符串描述，固定为“MSFT100”，VENDOR_CODE可自行更改；增加这三个描述的接口指针函数：
//-----------ADD GUOXUAN----------------const uint8_t USBD_OS_STRING[8] = {'M','S','F','T','1','0','0',0xA0, //USB_REQ_MS_VENDOR_CODE,};uint8_t *USBD_WinUSBOSStrDescriptor(uint16_t *length){USBD_GetString((uint8_t *)USBD_OS_STRING, USBD_StrDesc, length);return USBD_StrDesc;}uint8_t *USBD_WinUSBOSFeatureDescriptor(uint16_t *length){*length = USB_LEN_OS_FEATURE_DESC;return USBD_WINUSB_OSFeatureDesc;}uint8_t *USBD_WinUSBOSPropertyDescriptor(uint16_t *length){*length = USB_LEN_OS_PROPERTY_DESC;return USBD_WINUSB_OSPropertyDesc;}//------------------------------------(3) 响应设备描述请求中的的的的USB_REQ_TYPE_VENDOR请求：
case USB_REQ_TYPE_VENDOR:USBD_WinUSBGetDescriptor( pdev, req ); //-----CHANGE GUOXUAN-------break;(4) 响应接口请求USBD_StdItfReq中的case USBD_STATE_CONFIGURED：
if (LOBYTE(req->wIndex) <= USBD_MAX_NUM_INTERFACES){ret = (USBD_StatusTypeDef)pdev->pClass->Setup(pdev, req);if ((req->wLength == 0U) && (ret == USBD_OK)){(void)USBD_CtlSendStatus(pdev);}}//-----------------ADD GUOXUAN-------------if ( req->bmRequest == 0xC1 ){USBD_WinUSBGetDescriptor( pdev, req );break;}//----------------------------------------else{USBD_CtlError(pdev, req);}break;(5) 响应0xEE请求：
//---------------ADD GUOXUAN----------case 0xEE: // OS Stringpbuf = (uint8_t *) pdev->pClass->GetWinUSBOSDescriptor(&len);break;//------------------------------------(6) 修改CDC配置描述信息：
//---------------CHANGE GUOXUAN---------------/* USB CDC device Configuration Descriptor */#define WINUSB_CONFIG_DESC_SIZE 32__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_CDC_CfgHSDesc[WINUSB_CONFIG_DESC_SIZE] __ALIGN_END ={/*Configuration Descriptor*/0x09, /* bLength: Configuration Descriptor size */USB_DESC_TYPE_CONFIGURATION, /* bDescriptorType: Configuration */WINUSB_CONFIG_DESC_SIZE, /* wTotalLength:no of returned bytes */0x00,0x01, /* bNumInterfaces: 1 interface for WINUSB */0x01, /* bConfigurationValue: Configuration value */USBD_IDX_CONFIG_STR, /* iConfiguration: Index of string descriptor describing the configuration */0xC0, /* bmAttributes: self powered */0x32, /* MaxPower 0 mA *//*---------------------------------------------------------------------------*//*Data class interface descriptor*/0x09, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_INTERFACE, /* bDescriptorType: */0x00, /* bInterfaceNumber: Number of Interface, zero based index of this interface */0x00, /* bAlternateSetting: Alternate setting */0x02, /* bNumEndpoints: Two endpoints used */0xff, /* bInterfaceClass: vendor */0x00, /* bInterfaceSubClass: */0x00, /* bInterfaceProtocol: */0x00, /* iInterface: *//*Endpoint OUT Descriptor*/0x07, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_ENDPOINT, /* bDescriptorType: Endpoint */CDC_OUT_EP, /* bEndpointAddress */0x02, /* bmAttributes: Bulk */LOBYTE(CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE), /* wMaxPacketSize: */HIBYTE(CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE),0x00, /* bInterval: ignore for Bulk transfer *//* Endpoint IN Descriptor */0x07, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_ENDPOINT, /* bDescriptorType: Endpoint */CDC_IN_EP, /* bEndpointAddress */0x02, /* bmAttributes: Bulk */LOBYTE(CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE), /* wMaxPacketSize: */HIBYTE(CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE),0x00 /* bInterval: ignore for Bulk transfer */};/* USB CDC device Configuration Descriptor */__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_CDC_CfgFSDesc[WINUSB_CONFIG_DESC_SIZE] __ALIGN_END ={/*Configuration Descriptor*/0x09, /* bLength: Configuration Descriptor size */USB_DESC_TYPE_CONFIGURATION, /* bDescriptorType: Configuration */WINUSB_CONFIG_DESC_SIZE, /* wTotalLength:no of returned bytes */0x00,0x01, /* bNumInterfaces: 1 interface for Game IO */0x01, /* bConfigurationValue: Configuration value */USBD_IDX_CONFIG_STR, /* iConfiguration: Index of string descriptor describing the configuration */0xC0, /* bmAttributes: self powered */0x32, /* MaxPower 0 mA *//*---------------------------------------------------------------------------*//*Data class interface descriptor*/0x09, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_INTERFACE, /* bDescriptorType: */0x00, /* bInterfaceNumber: Number of Interface, zero based index of this interface */0x00, /* bAlternateSetting: Alternate setting */0x02, /* bNumEndpoints: Two endpoints used */0xff, /* bInterfaceClass: vendor */0x00, /* bInterfaceSubClass: */0x00, /* bInterfaceProtocol: */0x00, /* iInterface: *//*Endpoint OUT Descriptor*/0x07, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_ENDPOINT, /* bDescriptorType: Endpoint */CDC_OUT_EP, /* bEndpointAddress */0x02, /* bmAttributes: Bulk */LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE), /* wMaxPacketSize: */HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),0x00, /* bInterval: ignore for Bulk transfer *//* Endpoint IN Descriptor */0x07, /* bLength: Endpoint Descriptor size */USB_DESC_TYPE_ENDPOINT, /* bDescriptorType: Endpoint */CDC_IN_EP, /* bEndpointAddress */0x02, /* bmAttributes: Bulk */LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE), /* wMaxPacketSize: */HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),0x00 /* bInterval: ignore for Bulk transfer */};//------------------------------------------//---------------------我是广告-----------------------
详细配置及参考工程请移步淘宝店：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.11.18cc4864SdV6xL&id=660992604144&ns=1&abbucket=20#detail
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编译下载及问题处理
修改完上述4个文件后，编译工程并下载，下载完后设备最好断一次电，重新插入USB后，在设备管理器中可以看到已经成功枚举出了设备名为GUOXUAN的通用串行总线设备：
但凡事都有意外，当下载好后重新插入USB也可能出现以下情况（不限于以下这两种！！），只要设备名上有叹号，说明明枚举不成功，此时除了检查代码有无错误以外还可以尝试删除注册表中已有的VID PID信息，因为CubeMX生成好工程时测试连接过一次，枚举为了串口，注测表中已记录这个设备的信息，但现在设备描述符又指定为了WinUSB设备，所以造成了枚举失败。
删除注册表中USB设备信息的方法：
1、下载PStools工具包 https://technet.microsoft.com/en-us/sysinternals/bb897553.aspx，解压到C:\pstools
2、以管理员身份运行CMD，输入命令：cd C:\pstools ，切换到pstools目录，再输入命令：psexec.exe -i -d -s regedit.exe
3、进入HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum\USB\删除相关设备（以本文为例，VID PID分别为 1234 ABCD）
进入HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\UsbFlags\删除相关设备（以本文为例，VID PID分别为 1234 ABCD）
4、OK，此时再插入该Device，即被当做全新设备插入，装载驱动。
原文参考：
https://www.codenong.com/41644081/
https://blog.csdn.net/lxc1014/article/details/45170107?utm_source=app&app_version=4.17.0&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen
4.3 与上位机通信
在本测试中上位机发送一个数据包到USB设备，数据包的前两个字节设置为数据长度，设备接收到该数据包后根据数据长度返回一包数据。
4.3.1 修改数据接收和发送函数
修改usbd_cdc_if.c文件中数据接收函数，首先添加定义：
//-----------------ADD GUOXUAN-----------------------extern volatile int8_t usb_rxne;extern uint8_t usb_rx[2048];//---------------------------------------------------然后修改数据接收处理：
//-------------ADD GUOXUAN--------------------memcpy(usb_rx, Buf, *Len);usb_rxne = SET;//--------------------------------------------在main.c中添加数据发送函数：
首先引用头文件：
//---------------ADD GUOXUAN--------------------------#include "usbd_cdc_if.h"//----------------------------------------------------添加定义：
//--------------ADD GUOXUAN-----------------------uint8_t usb_rx[2048];uint8_t usb_tx[81920];volatile int8_t usb_rxne = RESET;extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceHS;//-----------------------------------------------添加接收函数：
//------------ADD GUOXUAN-------------------void WinUSB_Receive_HS(){uint16_t i = 0;if (usb_rxne != SET) return;i = usb_rx[0] + (usb_rx[1]<<8);CDC_Transmit_HS(usb_tx, i);usb_rxne = RESET;}//------------------------------------------最后在main里面的while(1)里调用：
while (1){/* USER CODE END WHILE */WinUSB_Receive_HS();/* USER CODE BEGIN 3 */}4.3.2 与上位机通信测试
上位机采用C#编写，使用开源库WinUSBNet（XP使用LibUsbDotNet）进行访问，上位机发送一个包，设备回复一个包；上行和下行的包大小自由设置（本测试主要测上行速率，下发的包大小置固定为64，若下发包大小超过512，设备USB接收函数需要做相应处理，因为单次传输最大包长为512，大于512将会被分包接收）；上行包的大小可改变，以测试不同包长时的速率；点击一次send发送1000个包，并统计速率（本次测试没有对接收和发送的数据作任何处理，实际应用情况下，加上数据处理后通信速率稍低于测试值）。WIN8、WIN7、XP均是在虚拟机运行测试的，通信速率可能会受到一些影响。
WIN10上测试结果如下：
WIN8上测试结果如下：
WIN7和XP上默认不带WinUSB驱动，设备插到电脑后，设备管理器可以看到设备枚举失败，但用zadig软件可以识别到该设备为WICD设备，可以安装WinUSB驱动程序，省去了手动写inf文件，也可以用zadig软件将驱动程序导出，通过右键更新驱动程序的方式安装。
WIN7上测试结果如下：
XP上测试结果如下(XP使用LibUsbDotNet，默认情况下接收buffer只能到4095)：
5 常见问题
1）没有USB测试仪无法抓包分析
用Keil进行抓包，全新的USB枚举过程数据通信大概有40条左右，最大长度不超过150字节，所以定义一个数组usbLog[50][200]，在USB设备请求通信入口 USBD_StdDevReq()函数处记录上位机下发的信息，在USB设备回复数据USBD_CtlSendData()函数处记录回复给上位机的信息，即可抓取到全部通信内容。第3章节USB枚举过程中信息正是用此方法获取的。
2）抓包分析抓不到0xEE命令
调试过程中，可能第一次并未完全修改正确，插入电脑后枚举失败，但是电脑已经记录下了该设备PID VID，当下次枚举的时候，该PID VID已经存在并且记录了该设备不是WinUSB设备，所示不会发送0xEE命令，解决办法是更换PID VID 或者4.2.5所述的方法删除注册表中相应的PID VID即可。
3）完全按上述流程修改后还是无法枚举成功
同第2条。
4）下载正确程序后不枚举或枚举失败
因为USB HS使用的是外部PHY，重新烧写单片机程序可能不会让USB重新枚举，通常断电一次即可枚举成功。
5）传输过程中有丢包现象
检查包长设置是否合理，缓冲区buffer是否足够。
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