Hardware Access/zh CN

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概览

本页是关于在Lazarus上访问硬件设备的教程的开始。这些设备包括，但不限于：ISA，PCI，USB，并行端口，串行端口。

RTL或LCL没有实现统一的多平台硬件设备的访问。因此本教程将基本覆盖不同平台上的硬件访问方法。在不同环境下可以使用条件编译来编译代码，像这样：

 uses
  Classes, SysUtils, LResources, Forms, Controls, Graphics, Dialogs, ExtCtrls,
 {$IFDEF WIN32}
   Windows;
 {$ENDIF}
 {$IFDEF Unix}
   ports;
 {$ENDIF}

此时还不知道Mac OS X/x86是否会允许HW访问。它可能不允许，虽然那种情形下我假设像io.dll的驱动器将会及时出现。

并行和串行的比较

ISA卡，PCI卡和并行端口使用“并行”协议与计算机进行通信。串行端口和USB设备使用“串行”协议。因为处理器和编程语言都通过并行方式处理数据，在软件端比较容易实现对这类协议的访问。例如，访问一个整型变量时，可以仅用一个命令就能访问它的值。然而，使用串行协议，一次仅能知道一位（bit），需要将所有片断（piece）放在一起才能理解数据。

串行通信比较难于直接实现，如果使用预制（pre-made）组件，可能会稍微容易些。在硬件端也比较困难，因此许多设备使用专门的集成电路或甚至微控制器来实现。

现在来做一个硬件访问协议的简要比较：

	速度	硬件实现难度
串行端口	非常慢 (< E5 bit/s)	中等
并行端口	慢 (~ E6 bit/s)	容易
ISA卡	中等 (~ E7 bit/s)	中等
USB	中等 (~ E7 bit/s)	困难
PCI卡	非常快 (> E9 bit/s)	非常难

并行通信

在Windows操作系统中使用inpout32.dll

在9x系列和NT系列，Windows有不同的方法来访问硬件设备。在9x系列（95，98，Me），程序可以直接访问硬件，正如在DOS上一样。然而，NT系列（Windows NT和XP）不允许这种方式。在该架构上，所有与硬件端口的通信必须通过一个设备驱动器。这是一种安全机制，但是为一个小项目开发一个驱动器可能会花费太多的时间和金钱。

幸运地是有一个库解决了这个问题。如果检测到Windows NT，它解压HWInterface.sys内核设备驱动器并安装。如果检测到Windows 9x，它简单地使用汇编操作码访问硬件。

但是如何使用这个库呢？非常简单！它仅有2个函数：Inp32和Out32，它们的使用是比较直观的。

我们将动态加载该库，因此让我们首先定义这2个函数：

 type
   TInp32 = function(Address: SmallInt): SmallInt; stdcall;
   TOut32 = procedure(Address: SmallInt; Data: SmallInt); stdcall;

• Address代表期望访问的端口地址
• Out32发送数据到指定地址的端口
• Inp32从指定地址的端口返回一字节

现在可以加载该库了。这可能在一个类似程序主form的OnCreate方法的地方来实现：

 type
   TMyForm = class(TForm)
   .........
   private
     { private declarations }
     Inpout32: THandle;
     Inp32: TInp32;
     Out32: TOut32;
   .........
 implementation
   .........
 procedure TMyForm.FormCreate(Sender: TObject);
 begin
 {$IFDEF WIN32}
   Inpout32 := LoadLibrary('inpout32.dll');
   if (Inpout32 <> 0) then
   begin
     // needs overtyping, plain Delphi's @Inp32 = GetProc... leads to compile errors
     Inp32 := TInp32(GetProcAddress(Inpout32, 'Inp32'));
     if (@Inp32 = nil) then Caption := 'Error';
     Out32 := TOut32(GetProcAddress(Inpout32, 'Out32'));
     if (@Out32 = nil) then Caption := 'Error';
   end
   else Caption := 'Error';
 {$ENDIF}
 end;

如果在OnCreate加载了该库，那么不要忘记在OnDestroy卸载它：

 procedure TMyForm.FormDestroy(Sender: TObject);
 begin
 {$IFDEF WIN32}
   FreeLibrary(Inpout32);
 {$ENDIF}
 end;

这里是一个如何使用Inp32函数的简单例子：

 {$IFDEF WIN32}
   myLabel.Caption := IntToStr(Inp32($0220));
 {$ENDIF}

该代码在Windows XP上使用Lazarus 0.9.10，在端口$0220的一个自定义ISA卡上测试过。当然为了让该代码运行，你需要有一个有使用条款的Windows。为了部署，你仅需要把“inpout32.dll”包含在应用的相同目录下。

这是该库的主页：www.logix4u.net/inpout32.htm *查看讨论*

在Windows 9x上使用汇编

在Windows 9x上也可以使用汇编代码。假设希望把$CC发送到$320端口。下面代码可以实现：

 {$ASMMODE ATT}
 ...
    asm
        movl $0x320, %edx
        movb $0xCC, %al
        outb %al, %dx
    end ['EAX','EDX'];

在Windows上的疑难解答

在Windows上使用不支持即插即用并行硬件的一个可能问题来源是，Windows可能将该硬件使用的端口分配给了另外的设备。你可以在下面的URL里找到关于如何告诉Windows不要将你设备的地址分配给即插即用设备的指示：

http://support.microsoft.com/kb/135168

在Linux上使用ioperm访问端口

在Linux上访问硬件的最好方法通过设备驱动器，但是考虑到创建一个驱动器任务的复杂性，有时候一个快速的方法是非常有用的。

为了使用Linux下的“ports”单元，程序必须以root身份运行，并且必须调用IOPerm设置端口访问的合适权限。你可以在这里找到关于“ports”单元的文档。

要做的第一件事是链接(g)libc和调用IOPerm。一个链接整个(g)libc的单元存在于free pascal，但是当应用直接使用时该单元出现了问题，并且静态链接整个(g)libc库不是一个非常好的主意，因为在不同版本间它以不兼容的方式改变。然而，像ioperm类的函数不大可能改变。

 {$IFDEF Linux}
 function ioperm(from: Cardinal; num: Cardinal; turn_on: Integer): Integer; cdecl; external 'libc';
 {$ENDIF}

• from 代表访问的第一个端口.
• num 是访问的端口数，因此ioperm($220, 8, 1)将为程序访问$220——$227之间（含）的所有端口。

在链接IOPerm后，可以使用port[<Address>]访问端口。

 {$IFDEF Linux}
   i := ioperm($220, 8, 1);
   port[$220] := $00;
   myLabel.Caption := 'ioperm: ' + IntToStr(i);
   i := Integer(port[$220]);
   myOtherLabel.Caption := 'response: ' + IntToStr(i);
 {$ENDIF}

该代码在Mandriva Linux 2005和Damn Small Linux 1.5上使用Lazarus 0.9.10，在端口$0220的一个自定义ISA卡上测试过。

通用UNIX硬件访问

{$IFDEF Unix}
Uses Clib;   // retrieve libc library name.
{$ENDIF}

{$IFDEF Unix}
function ioperm(from: Cardinal; num: Cardinal; turn_on: Integer): Integer; cdecl; external clib;
{$ENDIF}

注意 FPC在unit x86里为ioperm提供了一个叫做“fpioperm”的抽象，也定义了fpIOPL和输出/输入函数。这些函数当前是为Linux/x86和FreeBSD/x86实现的。

不建议链接到的libc，除非绝对必要的，因为可能的部署和移植功能。 像上面那样（通过为别处有效的函数声明特设导入）手工链接libc也是不建议的（例如，如果标准C库不叫作libc，那么上面的libc导入行将不必要（unnecessarily）地失败，比如BeOS或非标准C符号扩展（symbol mangling）平台上的libroot）。

注意 2 不建议在除了Kylix兼容性的任何环境下使用unit libc。参见libc unit

串行通信

使用Synaser库开发一个串行通信软件是非常容易的。当与Synaser文档一起使用时，例子应该很好理解。最主要的部分是TBlockSerial.Config设置速度（位/秒），数据位，奇偶校验位，停止位和握手协议，如果有的话。下面代码在一个连接到COM 1的串行鼠标上测试过。

program comm;

{$apptype console}

uses
  Classes, SysUtils, Synaser;

var
  ser: TBlockSerial;
begin
  ser:=TBlockSerial.Create;
  try
    ser.Connect('COM1');
    ser.config(1200, 7, 'N', SB1, False, False);
    while True do
      Write(IntToHex(ser.RecvByte(10000), 2), ' ');
  finally
    ser.free;
  end;
end.

下面的代码例子是上面例子的一个替代版本。上面的例子看起来在主要概念上有严重错误，准确地是“while true do...”部分。在测试系统（Asus A6T Laptop with Digitus USB to RS232 Adapter, Ubuntu 8.04.1）上，该部分导致了下面错误：每个会话只能成功运行一次应用，当再次起动应用时，应用不能连接到串行端口。因此，每次用户试图重启应用时，需要重启（计算机），这是一个非常恼人的bug。

原因不难理解：应用处于while true do循环，更准确地说是无限循环。没有退出条件，因此关闭应用的唯一办法是关闭终端或按CTRL-C。但是如果通过种办法退出应用，释放串行端口的重要部分“ser.free”从来不被调用。德语Lazarus论坛的下面贴子里描述了这个问题http://www.lazarusforum.de/viewtopic.php?f=10&t=2082

为了让每个用户明白，而不是按CTRL-C，在主要应用周围有一些代码。也许有人担心，为什么/dev/ttyUSB0被用作com端口：这是由于在测试系统上使用的USB串行适配器。如果有内置串行端口，请使用“Com0”——像上面例子代码中声明。

program serialtest;

{$mode objfpc}{$H+}

uses
  {$IFDEF UNIX}{$IFDEF UseCThreads}
  cthreads,
  {$ENDIF}{$ENDIF}
  Classes,SysUtils,Synaser,Crt
  { you can add units after this };

  var l:boolean;

  function check_affirmation():boolean;
  var k:string;
  begin
       Writeln('To quit the application please do NOT use CTRL-C! Instead, please press any key to quit the application! '+
       'Please confirm this notification before the application continues! '+
       '[0]=Quit, [1]=Confirm, please continue! ');
       Writeln('Your decision: ');
       Read(k);
       if StrtoInt(k) = 1 then
       begin
            check_affirmation:=true;
            Writeln('OK, application continues ...');
       end
       else
       begin
            check_affirmation:=false;
            Writeln('Abort');
       end
  end;

  procedure RS232_connect;
  var
     ser: TBlockSerial;
  begin
       ser:=TBlockSerial.Create;
       try
          ser.Connect('/dev/ttyUSB0'); //ComPort
          Sleep(1000);
          ser.config(1200, 7, 'N', SB1, False, False);
          Write('Device: ' + ser.Device + '   Status: ' + ser.LastErrorDesc +' '+
          Inttostr(ser.LastError));
          Sleep(1000);
          repeat
                Write(IntToHex(ser.RecvByte(10000), 2), ' ');
          until keypressed; //Important!!!
       finally
              Writeln('Serial Port will be freed...');
              ser.free;
              Writeln('Serial Port was freed successfully!');
       end;
  end;

  begin
     l:=check_affirmation();
     if l=true then
     RS232_connect()
     else
     Writeln('Program quit! ');
  end.

另外，外部链接节有UNIX和Windows串行端口教程。

值得一提的是linux下TBlockSerial.LinuxLock参数的功能。当设置默认为True时，连接将试图在/var/lock下创建一个锁文件（例如，“LCK..ttyUSB0”），如果所请求的端口存在一个锁就会失败。如果没有调用释放，锁文件将一直存在。设置LinuxLock为False将使Synaser忽略端口锁定。

替代Synaser：

基于Synaser的可视组件5dpo。

另外一个非常简单的fpc单元现在是freepascal（至少版本2.2.2）的部分了，只要将Serial放到你的Uses清单里，然而除了Serial.pp源文件外还没有其它文档。

USB

libusb

驱动开发向来是内核开发中工作量最多的一块，随着USB设备的普及，大量的USB设备的驱动开发也成为驱动开发者手头上做的最多的事情。本文主要介绍Linux平台下基于libusb的驱动开发，希望能够给从事Linux驱动开发的朋友带来些帮助，更希望能够给其他平台上的无驱设计带来些帮助。文章是我在工作中使用libusb的一些总结，难免有错误，如有不当的地方，还请指正。

Linux 平台上的usb驱动开发，主要有内核驱动的开发和基于libusb的无驱设计。

对于内核驱动的大部分设备，诸如带usb接口的hid设备，linux本身已经自带了相关的驱动，我们只要操作设备文件便可以完成对设备大部分的操作，而另外一些设备，诸如自己设计的硬件产品，这些驱动就需要我们驱动工程师开发出相关的驱动了。内核驱动有它的优点，然而内核驱动在某些情况下会遇到如下的一些问题：

1 当使用我们产品的客户有2.4内核的平台，同时也有2.6内核的平台，我们要设计的驱动是要兼容两个平台的，就连makefile 我们都要写两个。

2 当我们要把linux移植到嵌入平台上，你会发现原先linux自 带的驱动移过去还挺大的，我的内核当然是越小越好拉，这样有必要么。这还不是最郁闷的地方，如果嵌入平台是客户的，客户要购买你的产品，你突然发现客户设 备里的系统和你的环境不一样，它没有你要的驱动了，你的程序运行不了，你会先想：“没关系，我写个内核驱动加载一下不就行了“。却发现客户连insmod加载模块的工具都没移植，那时你就看看老天，说声我怎么那么倒霉啊，客户可不想你动他花了n时间移植的内核哦

3 花了些功夫写了个新产品的驱动，挺有成就感啊，代码质量也是相当的有水准啊。正当你沉醉在你的代码中时，客服不断的邮件来了，“客户需要2.6.5内核的驱动，config文件我已经发你了” “客户需要双核的 2.6.18-smp 的驱动” “客户的平台是自己定制的是2.6.12-xxx “ 你恨不得把驱动的源代码给客户，这样省得编译了。你的一部分工作时间编译内核，定制驱动

有问题产生必然会有想办法解决问题的人， libusb的出现给我们带来了某些方便，即节约了我们的时间，也降低了公司的成本。 所以在一些情况下，就可以考虑使用libusb的无驱设计了。

下面我们就来详细讨论一下libusb, 并以写一个hid设备的驱动来讲解如何运用libusb,至于文章中涉及的usb协议的知识，限于篇幅，就不详细讲解了，相关的可自行查看usb相关协议。

一 libusb 介绍

libusb 设计了一系列的外部API 为应用程序所调用，通过这些API应用程序可以操作硬件，从libusb的源代码可以看出，这些API 调用了内核的底层接口，和kernel driver中所用到的函数所实现的功能差不多，只是libusb更加接近USB 规范。使得libusb的使用也比开发内核驱动相对容易的多。 Libusb 的编译安装请查看Readme,这里不做详解

二 libusb 的外部接口

2.1 初始化设备接口

这些接口也可以称为核心函数，它们主要用来初始化并寻找相关设备。

usb_init

函数定义： void usb_init(void);

从函数名称可以看出这个函数是用来初始化相关数据的，这个函数大家只要记住必须调用就行了，而且是一开始就要调用的.

usb_find_busses

函数定义： int usb_find_busses(void);

寻找系统上的usb总线，任何usb设备都通过usb总线和计算机总线通信。进而和其他设备通信。此函数返回总线数。

usb_find_devices

函数定义： int usb_find_devices(void);

寻找总线上的usb设备，这个函数必要在调用usb_find_busses()后使用。以上的三个函数都是一开始就要用到的，此函数返回设备数量。

usb_get_busses

函数定义： struct usb_bus *usb_get_busses(void);

这个函数返回总线的列表，在高一些的版本中已经用不到了，这在下面的实例中会有讲解

2.2 操作设备接口

usb_open

函数定义： usb_dev_handle *usb_open(struct *usb_device dev);

打开要使用的设备，在对硬件进行操作前必须要调用usb_open 来打开设备，这里大家看到有两个结构体 usb_dev_handle 和 usb_device 是我们在开发中经常碰到的，有必要把它们的 结构看一看。在libusb 中的usb.h和usbi.h中有定义。

这里我们不妨理解为返回的 usb_dev_handle 指针是指向设备的句柄，而行参里输入就是需要打开的设备。

usb_close

函数定义： int usb_close(usb_dev_handle *dev);

与usb_open相对应，关闭设备，是必须调用的, 返回0成功，<0 失败。

usb_set_configuration

函数定义： int usb_set_configuration(usb_dev_handle *dev, int configuration);

设置当前设备使用的configuration，参数configuration 是你要使用的configurtation descriptoes中的bConfigurationValue, 返回0成功，<0失败( 一个设备可能包含多个 configuration,比如同时支持高速和低速的设备就有对应的两个configuration,详细可查看usb标准)

usb_set_altinterface

函数定义： int usb_set_altinterface(usb_dev_handle *dev, int alternate);

和名字的意思一样，此函数设置当前设备配置的interface descriptor，参数alternate是指interface descriptor中的bAlternateSetting。返回0成功，<0失败

usb_resetep

函数定义： int usb_resetep(usb_dev_handle *dev, unsigned int ep);

复位指定的endpoint，参数ep 是指bEndpointAddress,。这个函数不经常用，被下面介绍的usb_clear_halt函数所替代。

usb_clear_halt

函数定义： int usb_clear_halt (usb_dev_handle *dev, unsigned int ep);

复位指定的endpoint，参数ep 是指bEndpointAddress。这个函数用来替代usb_resetep

usb_reset

函数定义： int usb_reset(usb_dev_handle *dev);

这个函数现在基本不怎么用，不过这里我也讲一下，和名字所起的意思一样，这个函数reset设备，因为重启设备后还是要重新打开设备，所以用usb_close就已经可以满足要求了。

usb_claim_interface

函数定义： int usb_claim_interface(usb_dev_handle *dev, int interface);

注册与操作系统通信的接口，这个函数必须被调用，因为只有注册接口，才能做相应的操作。

Interface 指 bInterfaceNumber. (下面介绍的usb_release_interface 与之相对应，也是必须调用的函数)

usb_release_interface

函数定义： int usb_release_interface(usb_dev_handle *dev, int interface);

注销被usb_claim_interface函数调用后的接口，释放资源，和usb_claim_interface对应使用。

2.3 控制传输接口

usb_control_msg

函数定义：int usb_control_msg(usb_dev_handle *dev, int requesttype, int request, int value, int index, char *bytes, int size, int timeout);

从默认的管道发送和接受控制数据

usb_get_string

函数定义： int usb_get_string(usb_dev_handle *dev, int index, int langid, char *buf, size_t buflen);

usb_get_string_simple

函数定义： int usb_get_string_simple(usb_dev_handle *dev, int index, char *buf, size_t buflen);

usb_get_descriptor

函数定义： int usb_get_descriptor(usb_dev_handle *dev, unsigned char type, unsigned char index, void *buf, int size);

usb_get_descriptor_by_endpoint

函数定义： int usb_get_descriptor_by_endpoint(usb_dev_handle *dev, int ep, unsigned char type, unsigned char index, void *buf, int size);

2.4 批传输接口

usb_bulk_write

函数定义： int usb_bulk_write(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);

usb_interrupt_read

函数定义： int usb_interrupt_read(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);

2.5 中断传输接口

usb_bulk_write

函数定义： int usb_bulk_write(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);

usb_interrupt_read

函数定义： int usb_interrupt_read(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);

A cross platform possibility for Linux, BSDs and Mac OS X is libusb.

Headers are listed in http://www.freepascal.org/contrib/db.php3?category=Miscellaneous:

文件名	作者	版本	日期	链接	备注
libusb.pp	Uwe Zimmermann	0.1.12	2006-06-29	http://www.sciencetronics.com/download/fpc_libusb.tgz
libusb.pas	Johann Glaser		2012-09-23	https://github.com/hansiglaser/pas-libusb	includes OOP wrapper, see branch "libusb-1.0" for libusb 1.0
fpcusb	Joe Jared	0.11-14	2006-02-02	http://relays.osirusoft.com/fpcusb.tgz	download link broken
libusb.pp	Marko Medic	1.0	2010-12-14	http://www.lazarus.freepascal.org/index.php/topic,11435.0.html

FTDI

If you use one of the chips from FTDI, you can use their pascal headers for their dll interface to the chips.

外部链接

通信协议速度比较：

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_port#Speed
2. http://www.lvr.com/jansfaq.htm - Jan Axelson's Parallel Port FAQ
3. http://en.wikipedia.org/wiki/USB#Transfer_Speed
4. http://en.wikipedia.org/wiki/PCI#Conventional_PCI_bus_specifications

串行通信链接：

1. On UNIX: [1]
2. On Windows: http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnfiles/html/msdn_serial.asp
3. Synaser component: http://synapse.ararat.cz/
4. Comport Delphi package: http://sourceforge.net/projects/comport/

ISA数字示波器——一个硬件访问例子的全部源代码包含在：

[2]