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Bring your driver to iPad with DriverKit

Bring your driver to iPad with DriverKit

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Highlight

DriverKit 登陆 iPadOS 16，M1 iPad 首次支持 Thunderbolt 音频接口等外设；已有的 macOS DriverKit 驱动无需修改即可在 iPad 上运行，通过 Xcode 14 的多平台 target 可同时交付 Mac 和 iPad 版本。

核心内容

你开发了一款专业音频接口，用户一直希望在 iPad 上使用它。但 iPad 之前不支持第三方驱动，这意味着你的硬件无法接入 iPad 生态。

（04:02）iPadOS 16 改变了这个局面。DriverKit 从 macOS 扩展到了 iPad，所有 M1 芯片的 iPad 都支持。USB、PCI 和 Audio 驱动家族率先可用，Thunderbolt 音频接口首次可以在 iPad 上工作。

DriverKit 是什么

（00:39）2019 年 Apple 推出了 DriverKit，替代传统的 IOKit 内核驱动。驱动扩展（dext）运行在用户空间，通过系统扩展机制加载，比内核驱动更安全、更可靠，崩溃不会影响整个系统。

dext 打包在应用内，通过 Mac App Store 分发。用户搜索应用即可找到驱动，删除应用就自动卸载驱动。

目前 DriverKit 支持的驱动家族包括：Networking、Block Storage、Serial、Audio、SCSI controller 和 peripheral，以及 USB、PCI、HID 等传输层。

AudioDriverKit 的新能力

（02:01）AudioDriverKit 新增了实时操作能力。可以注册一个实时回调，每次 IO 操作时触发，用于在实时线程上修改音频缓冲区，比如信号处理。

（02:25）注册实时回调的方式：

io_operation = ^kern_return_t(IOUserAudioObjectID in_device,
                              IOUserAudioIOOperation in_io_operation,
                              uint32_t in_io_buffer_frame_size,
                              uint64_t in_sample_time,
                              uint64_t in_host_time)
{
    if (in_io_operation == IOUserAudioIOOperationWriteEnd) {
        // 处理输出缓冲区
    } else if (in_io_operation == IOUserAudioIOOperationBeginRead) {
        // 处理输入缓冲区
    }
    return kIOReturnSuccess;
};
this->SetIOOperationHandler(io_operation);

（03:02）AudioDriverKit 还引入了新的 entitlement。macOS 12.1 之前音频驱动需要使用 allow-any-userclient-access，现在应该迁移到专门的 audio family entitlement。这个 entitlement 对开发公开，无需申请即可使用。

从 macOS 到 iPad

（04:26）已有的 macOS DriverKit 驱动可以原封不动地带到 iPad。USB、PCI、Audio 驱动家族都支持，无需修改源代码。

Xcode 14 的多平台 target 让这个过程更简单。单个 target 可以同时支持 Mac 和 iPad，自动处理两个平台的签名配置，不再需要手动签名。

（05:51）iPad 上的驱动通过 App Store 分发，可以使用应用内购买等功能，用户可以通过搜索发现你的驱动。

iPad 上的驱动安装流程

（07:09）与 macOS 不同，iPad 上没有 SystemExtensions 框架。驱动打包在应用内，系统会自动发现。

用户需要在 Settings 中启用驱动：

  • 如果设备上安装了至少一个包含驱动的应用，General Settings 中会出现 Drivers 菜单
  • 如果应用包含 Settings bundle，应用自己的 Settings 页面中会有 Drivers 链接
  • 每个驱动可以单独开关

（08:36）应用应该主动引导用户去 Settings 启用驱动。iPad 版本的 UI 不需要 view model 和 SystemExtensions 框架交互，按钮动作改为打开 Settings：

// iPad 版本：打开应用设置
Button("Enable Driver in Settings") {
    if let url = URL(string: UIApplication.openSettingsURLString) {
        UIApplication.shared.open(url)
    }
}

（11:06）驱动按需启动。用户在 Settings 中启用驱动后，只有插入对应硬件时驱动才会真正运行。这可以通过 Xcode 的无线调试 attach 到驱动进程进行调试。

应用与驱动通信

（12:17）应用通过 user client 与驱动通信。macOS 上应用需要 driverkit userclient-access entitlement，iPadOS 上则使用新的 “Communicates With Drivers” entitlement。

在 Xcode 中添加：Signing & Capabilities > 添加 Capability > 搜索 “communicates with drivers”。

（13:43）如果希望其他开发者的应用也能与你的驱动通信，驱动需要添加 “Allow Third Party User Clients” entitlement。没有此 entitlement 时，只有同 team 的应用可以打开 user client。

驱动更新机制

（15:01）包含驱动的应用更新时，驱动不会立即替换：

  • 应用自动更新到新版
  • 驱动 approval 状态在更新中保持，无需重新启用
  • 但旧版驱动会继续运行直到硬件断开
  • 重新插入硬件时，新版驱动才会启动

这意味着新版应用可能需要与旧版驱动通信，设计协议时要考虑向后兼容。

设备能力限制

（17:01）如果应用的唯一功能就是安装驱动，应该在 Info.plist 中添加 UIRequiredDeviceCapabilities 包含 DriverKit，防止在不支持的设备上安装。

详细内容

实时音频回调

（02:25）AudioDriverKit 的实时回调在音频 IO 的实时线程上执行，适合低延迟的信号处理：

// 声明 IOOperationHandler block
io_operation = ^kern_return_t(IOUserAudioObjectID in_device,
                              IOUserAudioIOOperation in_io_operation,
                              uint32_t in_io_buffer_frame_size,
                              uint64_t in_sample_time,
                              uint64_t in_host_time)
{
    // 根据操作类型处理缓冲区
    if (in_io_operation == IOUserAudioIOOperationWriteEnd) {
        // 音频输出完成，可以修改输出缓冲区
    } else if (in_io_operation == IOUserAudioIOOperationBeginRead) {
        // 音频输入开始，可以处理输入缓冲区
    }
    return kIOReturnSuccess;
};

// 将回调设置到音频设备
this->SetIOOperationHandler(io_operation);

关键点：

  • 回调在实时线程执行，不能进行阻塞操作
  • IOUserAudioIOOperationWriteEnd 表示输出操作完成
  • IOUserAudioIOOperationBeginRead 表示输入操作开始
  • 通过 in_io_buffer_frame_size 获取缓冲区帧数
  • in_sample_time 和 in_host_time 提供时间戳信息

多平台驱动应用结构

（06:36）使用 Xcode 14 多平台 target 时，需要为 Mac 和 iPad 分别准备 UI：

// macOS 视图：使用 SystemExtensions 框架
#if os(macOS)
import SystemExtensions

struct MacDriverView: View {
    @StateObject private var viewModel = DriverViewModel()
    
    var body: some View {
        VStack {
            Text(viewModel.statusText)
            Button("Install Driver") {
                viewModel.installDriver()
            }
        }
    }
}
#endif

// iPad 视图：引导用户去 Settings
#if os(iOS)
struct iPadDriverView: View {
    var body: some View {
        VStack {
            Text("Driver bundled with app")
            Button("Enable Driver in Settings") {
                if let url = URL(string: UIApplication.openSettingsURLString) {
                    UIApplication.shared.open(url)
                }
            }
        }
    }
}
#endif

关键点：

  • macOS 使用 SystemExtensions 框架请求用户授权安装驱动
  • iPad 没有 SystemExtensions 框架，驱动在应用安装后自动被发现
  • 通过 Build Phases 的 platform filter 控制文件编译目标
  • iPad 应用需要包含 Settings bundle 才能在应用设置中显示 Drivers 链接

Entitlement 配置

iPad 应用与驱动通信需要的 entitlement：

<!-- 应用的 entitlement：与驱动通信 -->
<key>com.apple.developer.driverkit.communicates-with-drivers</key>
<true/>

<!-- 驱动的 entitlement：允许第三方应用通信 -->
<key>com.apple.developer.driverkit.allow-third-party-user-clients</key>
<true/>

关键点：

  • 这些 entitlement 对开发公开，无需申请
  • 分发到 App Store 时需要在开发者网站申请
  • 音频驱动使用 com.apple.developer.driverkit.family.audio 替代旧的 allow-any-userclient-access

核心启发

  • 做什么：把现有的 Thunderbolt 音频接口驱动带到 iPad

  • 为什么值得做：M1 iPad 用户群体庞大，专业音频工作者希望在路上使用熟悉的硬件

  • 怎么开始：确认驱动使用 USB、PCI 或 Audio 家族，在 Xcode 中添加 iPad destination，无需修改驱动代码

  • 做什么：开发 iPad 上的专业音频控制面板应用

  • 为什么值得做：AudioDriverKit 的实时回调让低延迟信号处理成为可能，配合 iPad 的触摸界面可以做出直观的控制面板

  • 怎么开始：用 SetIOOperationHandler 注册实时回调，通过 user client 在应用和驱动间传递控制参数

  • 做什么：构建跨平台的硬件配置工具

  • 为什么值得做：一套代码同时服务 Mac 和 iPad 用户，通过多平台 target 减少维护成本

  • 怎么开始：用 #if os() 分离平台特定的 UI 代码，共享驱动核心逻辑

  • 做什么：为现有硬件产品添加 iPad 支持

  • 为什么值得做：DriverKit 让 iPad 首次支持第三方 Thunderbolt/USB 外设，打开了新的市场

  • 怎么开始：检查硬件是否使用支持的传输层（USB/PCI），验证 macOS 驱动是否能在 iPad 上编译通过

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