手把手教你开发Windows下的USB转串口驱动：从零到上线的实战指南

你有没有遇到过这样的场景？手头一块基于STM32或ESP32-S2的开发板，想通过USB连上PC调试，却发现系统识别不了COM口；又或者你的工业设备需要接入老旧PLC，但主机只有USB接口——这时候，“USB转串口”就成了绕不开的技术桥头堡。

而在Windows平台上做这件事，并不像Linux那样“插上就能用”。你需要深入内核、理解PnP机制、搞定驱动签名，甚至和URB（USB请求块）这种底层结构打交道。听起来复杂？别急，本文就带你一步步走完这条“硬核之路”，让你不仅能写出能跑的驱动，还能搞懂它为什么能跑。

为什么我们还需要自己写USB转串口驱动？

你说，不是有FT232、CH340这些现成芯片吗？确实，它们自带官方驱动，插上就出COM口，省心省力。但现实往往更复杂：

• 你想用MCU自带USB实现虚拟串口，节省BOM成本；
• 你要做定制化功能，比如在传输数据的同时进行固件升级；
• 你的产品属于军工、医疗等特殊领域，不允许使用第三方驱动；
• 你希望完全掌控通信流程，避免黑盒带来的安全隐患。

这时候，自研驱动就成了必选项。而Windows作为企业级主力操作系统，其驱动生态既严格又成熟——只要迈过门槛，回报极高。

USB转串口的本质：让电脑“以为”接了个老式串口

先抛开代码和协议，我们来想想：什么是“USB转串口”？

简单说，就是让一个USB设备，在Windows眼里看起来像一个标准的COM端口。应用程序调用CreateFile("\\\\.\\COM4")、ReadFile、SetCommState时，根本不知道背后是USB线缆而不是RS-232电缆。

要实现这一点，核心在于三层协同：

[用户程序] → Win32串口API ↓ [系统层] → Serial API (kernel32.dll) + serial.sys / usbser.sys ↓ [驱动层] → 自定义KMDF驱动 或 usbser.sys + INF配置 ↓ [硬件层] → MCU运行CDC ACM固件，收发UART帧

也就是说，驱动的任务，就是把上层对“串口”的操作，翻译成对“USB设备”的控制与数据传输。

技术选型第一关：用WDM还是KMDF？建议新手直接上KMDF

早年写Windows驱动，基本靠WDM（Windows Driver Model），纯手工管理IRP、即插即用状态机、电源策略……稍有不慎就会蓝屏。

现在？微软早就推荐使用KMDF（Kernel-Mode Driver Framework）——它是WDF框架的一部分，专为功能性设备驱动设计，极大简化了开发难度。

KMDF到底强在哪？

一句话总结：KMDF让你专注业务逻辑，而不是和内核调度打架。

所以，如果你不是为了研究旧架构，直接上KMDF是最优解。

CDC ACM：免驱之王，首选协议

既然目标是模拟串口，那就不能随便定义协议。好在USB-IF组织早已制定了标准类规范——CDC ACM（Communication Device Class - Abstract Control Model）。

它的最大优势是什么？免驱！

从Windows XP SP2开始，系统内置usbser.sys驱动，只要你的设备符合CDC ACM规范，插入后会自动分配COM端口号，无需安装任何额外驱动。

CDC ACM设备长什么样？

一个典型的CDC ACM设备包含两个接口：

1. Control Interface（类码0x02）
   - 用于发送控制命令：设置波特率、DTR/RTS信号、流控等
   - 端点0默认用于控制传输（Control Endpoint）

2. Data Interface（类码0x0A）
   - 用于实际数据收发
   - 包含一对批量端点：BULK IN 和 BULK OUT

当PC上的程序调用SetCommState(hCom, &dcb)设置波特率为115200时，系统会向Control Endpoint发送一条SET_LINE_CODING类请求，里面包含了完整的串口参数。

设备端收到后，解析并配置内部UART模块，完成映射。

关键参数结构体：_USB_CDC_LINE_CODING

这是主机传下来的“串口配置单”，长这样：

typedef struct _USB_CDC_LINE_CODING { ULONG dwDTERate; // 波特率，如115200 UCHAR bCharFormat; // 停止位：0=1, 1=1.5, 2=2 UCHAR bParityType; // 校验：0=无,1=奇,2=偶,3=标记,4=空格 UCHAR bDataBits; // 数据位：5~8 } USB_CDC_LINE_CODING, *PUSB_CDC_LINE_CODING;

你的驱动必须正确响应GET_LINE_CODING和SET_LINE_CODING请求，否则上位机无法配置串口。

实战第一步：搭建开发环境

工欲善其事，必先利其器。以下是必备工具链：

1. Visual Studio（建议2022 Community版）
2. WDK（Windows Driver Kit）—— 提供头文件、库、编译规则
3. SDK（Windows SDK）
4. WinDbg Preview—— 调试神器
5. Inf2Cat / SignTool—— 驱动签名工具
6. （可选）USB协议分析仪（如Total Phase Beagle USB 480）

安装时注意选择“Driver Development”工作负载，VS会自动集成WDK模板。

编写第一个KMDF驱动：从DriverEntry开始

所有KMDF驱动都始于DriverEntry函数。它相当于C程序的main()，是驱动加载时的第一个入口。

// DriverEntry.c #include <ntddk.h> #include <wdf.h> WDFDEVICE g_Device = NULL; WDFDRIVER g_WdfDriver = NULL; NTSTATUS DriverEntry(_In_ PDRIVER_OBJECT DriverObject, _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath) { WDF_DRIVER_CONFIG config; NTSTATUS status; // 初始化驱动配置 WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(&config, EvtDeviceAdd); config.EvtDriverUnload = EvtDriverUnload; // 创建驱动对象 status = WdfDriverCreate(DriverObject, RegistryPath, WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES, &config, &g_WdfDriver); if (!NT_SUCCESS(status)) { KdPrint(("WdfDriverCreate failed: 0x%x\n", status)); } return status; }

这里的关键是注册EvtDeviceAdd回调，当系统检测到匹配设备时，这个函数会被调用，用来创建设备对象。

设备初始化：PrepareHardware中完成USB枚举

接下来是在EvtDevicePrepareHardware中完成真正的硬件准备动作。

NTSTATUS OnPrepareHardware(WDFDEVICE hDevice, WDFCMRESLIST ResourcesRaw, WDFCMRESLIST ResourcesTranslated) { WDF_USB_DEVICE_SELECT_CONFIG_PARAMS configParams; USBD_INTERFACE_LIST_ENTRY interfaceListEntry; PURB urb; NTSTATUS status; // 创建USB设备句柄 status = WdfUsbTargetDeviceCreateWithParameters( hDevice, WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES, NULL, &m_hUsbDevice); if (!NT_SUCCESS(status)) return status; // 初始化多接口配置参数（Control + Data） WDF_USB_DEVICE_SELECT_CONFIG_PARAMS_INIT_MULTIPLE_INTERFACES( &configParams, 2, &interfaceListEntry); // 分配URB用于SELECT_CONFIGURATION urb = (PURB)ExAllocatePool2(NonPagedPoolNx, sizeof(struct _URB_SELECT_CONFIGURATION), 'urb'); if (!urb) return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES; UsbBuildSelectConfigurationRequest( urb, sizeof(struct _URB_SELECT_CONFIGURATION), m_ConfigDescriptor, interfaceListEntry.Interfaces); // 同步提交URB status = WdfUsbTargetDeviceSendUrbSynchronously(m_hUsbDevice, NULL, NULL, urb); ExFreePool(urb); if (!NT_SUCCESS(status)) { KdPrint(("Failed to select configuration: 0x%x\n", status)); return status; } // 获取批量读写管道 m_BulkReadPipe = WdfUsbTargetPipeWdmGetPipeHandle( WdfUsbInterfaceGetConfiguredPipe(m_UsbInterface, 1, WdfUsbTargetPipeTypeBulk)); m_BulkWritePipe = WdfUsbTargetPipeWdmGetPipeHandle( WdfUsbInterfaceGetConfiguredPipe(m_UsbInterface, 0, WdfUsbTargetPipeTypeBulk)); return STATUS_SUCCESS; }

这段代码完成了：
- 枚举USB设备
- 选择包含两个接口的配置（CDC ACM典型结构）
- 获取BULK IN/OUT管道句柄，为后续读写做准备

如何暴露COM端口？IoRegisterDeviceInterface是关键

很多人写了驱动却看不到COM口，问题就出在这里：没有注册设备接口！

你需要调用IoRegisterDeviceInterface并启用它：

status = IoRegisterDeviceInterface( physicalDeviceObject, &GUID_DEVINTERFACE_COMPORT, // 表示这是一个串口设备 NULL, &symbolicLinkName); if (NT_SUCCESS(status)) { status = IoSetDeviceInterfaceState(&symbolicLinkName, TRUE); // 启用接口 }

一旦启用，系统会在设备管理器中显示“USB Serial Port (COMx)”，并且用户可以用标准API打开它。

数据读写怎么搞？拆成URB发出去！

应用程序调用WriteFile()时，系统会生成一个IRP_MJ_WRITE请求，由你的驱动处理。

由于USB批量传输有最大包大小限制（通常64字节全速，512字节高速），大块数据必须拆分成多个URB。

void HandleWriteRequest(WDFQUEUE queue, WDFREQUEST request, size_t length) { PUCHAR buffer; WDFMEMORY mem; WDFUSBPIPE pipe = m_BulkWritePipe; // 获取用户缓冲区 WdfRequestRetrieveOutputMemory(request, &mem); WdfMemoryGetBuffer(mem, NULL); // 提交URB写入 WdfUsbTargetPipeFormatRequestForWrite(pipe, request, mem, NULL, NULL); if (WdfRequestSend(request, WdfUsbTargetPipeGetIoTarget(pipe), NULL)) { return; // 异步等待完成 } else { WdfRequestCompleteWithInformation(request, STATUS_IO_ERROR, 0); } }

读操作类似，通常采用“预提多个URB”的方式保持接收流畅，避免丢包。

常见坑点与避坑指南

❌ 问题1：插上没反应，设备管理器里是“未知设备”

• 可能原因：VID/PID未被识别，INF文件没写对
• 解决方法：
  inf [DeviceList.NTamd64] "My Custom UART" = MYDRIVER_Device, USB\VID_1234&PID_5678

❌ 问题2：能识别但打不开COM口，提示“拒绝访问”

• 原因：权限不足或已有进程占用
• 检查点：确保没有其他串口工具（如PuTTY）开着

❌ 问题3：波特率设置无效

• 排查步骤：
  1. 用USB协议分析仪抓包，看是否收到SET_LINE_CODING
  2. 检查URB类型是否为URB_FUNCTION_CLASS_INTERFACE
  3. 确认Request Code为0x20（SET_LINE_CODING）

❌ 问题4：读取延迟高，数据“憋”着不出来

• 优化方案：
• 使用中断IN端点触发唤醒
• 设置短包自动提交：WdfUsbTargetPipeSetNoMaximumPacketSizeCheck(TRUE)
• 采用Completion Routine主动重提下一个读请求

驱动签名：上线前的最后一道坎

从Windows 10 v1607起，x64系统强制要求驱动签名。否则即使测试模式也不让加载。

解决方案两条路：

1. 测试签名模式（开发阶段）
   bash # 启用测试签名 bcdedit /set testsigning on
   然后用Test Certificate签名驱动（WDK自带工具）。

2. 正式发布：购买EV代码签名证书
   - 向DigiCert、Sectigo等CA机构申请EV证书
   - 使用SignTool签名：
   bash signtool sign /v /s MY /n "Your Company Name" /tr http://timestamp.digicert.com /td SHA256 /fd SHA256 MyDriver.sys
   - 提交至Microsoft Partner Center进行WHQL认证（可选，提升信任度）

INF文件：驱动的“身份证”

别小看INF文件，它是系统识别并加载驱动的关键依据。

[Version] Signature="$Windows NT$" Class=Ports ClassGuid={4d36e978-e325-11ce-bfc1-08002be10318} Provider=%ManufacturerName% CatalogFile=MyDriver.cat DriverVer=01/01/2024,1.0.0.0 [Manufacturer] %ManufacturerName% = DeviceList,NTamd64 [DeviceList.NTamd64] "My USB UART Bridge" = MYUSB_SER_Device, USB\VID_1234&PID_5678 [MYUSB_SER_Device] Include=mdmcpq.inf Needs=MDMCPQ.InfHW [MYUSB_SER_Device.Services] Include=mdmcpq.inf Needs=MDMCPQ.InfHW.Services

⚠️ 注意：引用mdmcpq.inf可让系统使用内置usbser.sys作为服务驱动，实现真正免驱！

调试技巧：WinDbg才是终极武器

光靠KdPrint不够。真出问题，还得上WinDbg。

快速入门三步法：

1. 目标机开启内核调试：
   bash bcdedit /debug on bcdedit /dbgsettings serial debugport:1 baudrate:115200

2. 主机运行WinDbg，连接串口或网络调试

3. 加载符号文件 + 源码路径，实现断点调试

当你看到蓝屏时，执行!analyze -v，往往能直接定位到出错的驱动模块和行号。

结语：掌握这项技能，你已经超越80%的嵌入式工程师

看到这里，你应该已经明白：

• USB转串口不是简单的“转换芯片+驱动安装”，而是一套完整的软硬协同体系；
• KMDF + CDC ACM 是当前最主流、最稳定的实现路径；
• 掌握驱动开发能力，意味着你能打造真正自主可控的通信链路。

无论是做工业网关、调试适配器，还是构建专用设备，这套技术都能为你提供坚实的底层支撑。

下一步你可以尝试：
- 在STM32上实现CDC ACM固件（可用STM32CubeMX快速生成）
- 结合用户态服务实现固件在线升级
- 添加自定义IOCTL扩展功能（如读取设备温度、重启MCU等）

如果你正在开发这类产品，欢迎留言交流具体场景，我可以帮你分析架构设计是否合理。

毕竟，能把驱动写明白的人，才是真正懂系统的开发者。