【转贴】USB HID 设备类协议入门

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一、应用场合

  USB HID类是比较大的一个类,HID类设备属于人机交互操作的设备。用于控制计算机操作的一些方面,如USB鼠标,USB键盘,USB游戏操纵杆,USB触摸板,USB轨迹球、电话拨号设备、VCR遥控等等设备。另外,使用HID设备的一个好处就是,操作系统自带了HID类的驱动程序,而用户无需去开发很麻烦的驱动程序,只要直接使用API调用即可完成通信。所以很多简单的USB设备,喜欢枚举成HID设备,这样就可以不用安装驱动而直接使用。

二、USB HID类可采用的通信管道

  所有的HID设备通过USB的控制管道(默认管道,即端点0)和中断管道与主机通信。

表1、USB HID规范定义的HID设备可用端点

管道

要求

说明

控制(端点0)

必须

传输USB描述符、类请求代码以及供查询的消息数据等

中断输入

必须

传输从设备到主机的输入数据

中断输出

可选

传输从主机到设备的输出数据

控制管道主要用于以下3个方面:

  • 接收/响应USB主机的控制请示及相关的类数据
  • 在USB主机查询时传输数据(如响应Get_Report请求等)
  • 接收USB主机的数据

  中断管道主要用于以下两个方面:

  • USB主机接收USB设备的异步传输数据
  • USB主机发送有实时性要求的数据给USB设备

  从USB主机到USB设备的中断输出数据传输是可选的,当不支持中断输出数据传输时,USB主机通过控制管道将数据传输给USB设备。

三、与USB HID设备有关的描述符

  HID设备的描述符除了5个USB的标准描述符(设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符,见百合电子工作室的另一篇文章:USB开发基础--USB命令(请求)和USB描述符)外,还包括3个HID设备类特定描述符:HID描述符、报告描述符、实体描述符。

  除了HID的三个特定描述符组成对HID设备的解释外,5个标准描述符中与HID设备有关的部分有:

  • 设备描述符中bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol三个字段的值必须为零。
  • 接口描述符中bInterfaceClass的值必须为0x03,bInterfaceSubClass的值为0或1,为1表示HID设备符是一个启动设备(Boot Device,一般对PC机而言才有意义,意思是BIOS启动时能识别并使用您的HID设备,且只有标准鼠标或键盘类设备才能成为Boot Device。如果为0则只有在操作系统启动后才能识别并使用您的HID设备),bInterfaceProtocol的取值含义如下表所示:

表2、HID接口描述符中bInterfaceProtocol的含义

bInterfaceProtocol的取值(十进制)

含义

0

NONE

1

键盘

2

鼠标

3~255

保留

下面分别对这3个HID设备类特定描述符进行说明。

1、HID描述符

  HID描述符关联于接口描述符,因而如果一个设备只有一个接口描述符,则无论它有几个端点描述符,HID设备只有一个HID描述符。HID设备描述符主要描述HID规范的版本号、HID通信所使用的额外描述符、报表描述符的长度等。表2所示为HID描述符的结构:

表3、USB HID类描述符的结构

偏移量

域

大小

值

描述

0

bLength

1

数字

此描述符的长度(以字节为单位)

1

bDescriptorType

1

常量

描述符种类(此处为0x21即HID类描述符)

2

bcdHID

2

数字

HID规范版本号(BCD码),采用4个16进制的BCD格式编码,如版本1.0的BCD码为0x0100,版本为1.1的BCD码为0x0110

4

bCountryCode

1

数字

硬件目的国家的识别码(BCD码)(见表3)

5

bNumDescritors

1

数字

支持的附属描述符数目

6

bDescriptorType

1

常量

HID相关描述符的类型,取值见表5

7

wDescriptorLength

2

数字

报告描述符总长度

9

bDescriptorType

1

常量

用于识别描述符类型的常量,使用在有一个以上描述符的设备

10

wDescriptorLength

2

数字

描述符总长度,使用在有一个以上描述符的设备

表4、HID硬件目的国家识别码

识别码(十进制)

国家和地区

  

识别码(十进制)

国家和地区

00

不支持

18

Netherlands/Dutch

01

Arabic

19

Norwegian

02

Belgian

20

Persian (Farsi)

03

Canadian-Bilingual

21

Poland

04

Canadian-French

22

Portuguese

05

Czech Republic

23

Russia

06

Danish

24

Slovakia

07

Finnish

25

Spanish

08

French

26

Swedish

09

German

27

Swiss/French

10

Greek

28

Swiss/German

11

Hebrew

29

Switzerland

12

Hungary

30

Taiwan

13

International (ISO)

31

Turkish-Q

14

Italian

32

UK

15

Japan (Katakana)

33

US

16

Korean

34

Yugoslavia

17

Latin American

35

Turkish-F

  

  

36~255

Reserved

 

表5、HID相关描述符类型定义

描述符类型值

HID相关描述符类型

0x21

HID描述符

0x22

报表描述符

0x23

实体描述符

2、报告描述符

  HID设备的报告描述符比较复杂也比较难理解。

  报告描述符的语法不同于USB标准描述符,它是以项目(items)方式排列而成,无一定的长度。HID的报告描述符已经不是简简单单的描述某个值对应某个固定意义了,它已经能够组合出很多种情况,并且需要PC上的HID驱动程序提供parser解释器来对描述的设备情形进行重新解释,进而组合生成出本HID硬件设备独特的数据流格式,所以我觉得可以把它理解为”报告描述符脚本语言”更为贴切。我们使用”报告描述符”专用脚本语言,让用户来自己定义他们的HID设备都有什么数据、以及这些数据各个位(bit)都有什么意义。

  有关报告描述符的详细信息可参考USB HID协议,USB 协会提供了一个HID 描述符编辑工具称作HID Descriptor Tool,用它可方便生成我们的报告描述符。

3、实体描述符

  实体描述符被用来描述设备的行为特性。实体描述符是可选的描述符,HID设备可以根据其本体的设备特性选择是否包含实体描述符。表5所示为HID的实体描述符结构。

表6、HID实体描述符的结构

偏移量

域

大小 

说明

0

bDesignator

1

用来指定本体的哪一部分影响项目(含义见表6)

1

bFlags

1

位指定标志 位0~4:Effort 位5~7:Qualifier(含义见表7)

表7、bDesignator取值含义表

bDesignator取值

含义

  

bDesignator取值

含义

0x00

无

0x15

小指

0x01

手

0x16

头

0x02

眼球

0x17

肩

0x03

眉

0x18

腰骨

0x04

眼皮

0x19

腰

0x05

耳

0x1A

大腿

0x06

鼻

0x1B

膝盖

0x07

嘴

0x1C

小腿

0x08

上唇

0x1D

足

0x09

下唇

0x1E

脚

0x0A

颚

0x1F

脚跟

0x0B

颈

0x20

拇指

0x0C

上臂

0x21

大拇指

0x0D

手肘

0x22

第二指

0x0E

前臂

0x23

第三指

0x0F

手腕

0x24

第四指

0x10

手掌

0x25

小拇指

0x11

拇指

0x26

眉

0x12

食指

0x27

脸

0x13

中指

0x28~0xFF

保留

0x14

无名指

  

  

 

表8、Qualifier取值含义

Qualifier取值

含义

  

Qualifier取值

含义

0x00

无

0x04

其中之一

0x01

右

0x05

中间

0x02

左

0x06

保留

0x03

两者同时

0x07

保留

四、USB HID类命令(请求)

  HID设备类特定的命令(请求)有6个,它们分别是Get_Report、Get_Idle、Get_Protocol、Set_Report、Set_Idle和Set_Protocol。

  HID类请求(命令)数据包格式如表8所示:

表9、HID类请求(命令)包格式

偏移量

域

大小

说明

0

bmRequestType

1

HID设备类请求特性如下: 位7: 0=从USB HOST到USB设备 1=从USB设备到USB HOST 位6~5: 01=请求类型为设备类请求 位4~0: 0001=请求对象为接口(interface) 因而,针对HID的设备类请求,仅仅10100001和00100001有效

1

bRequest

1

HID类请求(参考表9)

2

wValue

2

高字节说明描述符的类型(参考表5),而低字节为非0值时被用来选定实体描述符。

4

wIndex

2

2字节数值,根据不同的bRequest有不同的意义

6

wLength

2

该请求的数据段长度

表10、HID类请求

数值

HID类请求描述符

注释

0x01

GET_REPORT

  

0x02

GET_IDLE

  

0x03

GET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备(Boot Device)

0x09

SET_REPORT

  

0x0A

SET_IDLE

  

0x0B

SET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备(Boot Device)

  USB主机在请求HID设备的配置描述符时,设备首先返回的描述符为:配置描述符、接口描述符、HID描述符、端点描述符。HID描述符里包含了其附属的描述的类型和长度(如报告描述符),然后主机再根据HID描述符的信息请求其相关的描述符。

温馨提示:

  百合电子工作室有一个关于USB开发方面的开源项目-Easy USB 51 Programer,整个开发过程写得非常详细,不防参考一下,您还可以进入她的论坛参与此项目的讨论。

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