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1、第 8 章 USB 接口 HID 设备HID（Human Interface Device，人机接口设备）是 USB 设备中常用的设备类型，是直接与人交互的 USB 设备，例如键盘、鼠标与游戏杆等。在 USB 设备中，HID 设备的成本较低。另外，HID 设备并不一定要有人机交互功能，只要符合 HID 类别规范的设备都是 HID 设备。Wndows 操作系统最先支持的 HID 设备。在 windows 98 以及后来的版本中内置有 HID 设备的驱动程序，应用程序可以直接使用这些驱动程序来与设备通信。在设计一个 USB 接口的计算机外部设备时，如果 HID 类型的设备可以满足需要，可以将其设计
2、为 HID 类型设备，这样可以省去比较复杂的 USB 驱动程序的编写，直接利用Windows 操作系统对标准的 HID 类型 USB 设备的支持。8.1 HID 设备简介8.1.1 HID 设备的特点 交换的数据储存在称为报表（Report）的结构内，设备的固件必须支持 HlD 报表的格式。主机通过控制和中断传输中的传送和请求报表来传送和接收数据。报表的格式非常灵活。 每一笔事务可以携带小量或中量的数据。低速设备每一笔事务最大是 8B，全速设备每一笔事务最大是 64B，高速设备每一笔事务最大是 1024B。一个报表可以使用多笔事务。 设备可以在未预期的时间传送信息给主机，例如键盘的按键或是鼠标
3、的移动。所以主机会定时轮询设备，以取得最新的数据。 HID 设备的最大传输速度有限制。主机可以保证低速的中断端点每 10ms 内最多1 笔事务，每一秒最多是 800B。保证全速端点每 lms 一笔事务，每一秒最多是64000B。保证高速端点每 125 us 三笔事务，每一秒最多是 24.576MB。 HID 设备没有保证的传输速率。如果设备是设置在 10ms 的时距，事务之间的时间可能等于或小于 10ms。除非设备是设置在全速时在每个帧传输数据，或是在高速时在每个微帧传输数据。这是最快的轮询速率，所以端点可以保证有正确的带宽可供使用。HID 设备除了传送数据给主机外，它也会从主机接收数据。只要
4、能够符合 HlD 类别规范的设备都可以是 HID 设备。设备除了 HlD 接口之外，它可能同时还包含有其他的 USB 接口。例如影像显示设备可能使用 HID 接口来做亮度、对比度的软件控制，而使用传统的影像接口来传送要显示的数据。USB 扩音器可以使用实时传输来播放语音，同时使用 HID 接口来控制音量、低音等。HID 类别设备的规范文件主要是以下两份： Device Class Definition for Human interface Devices HID Usage Tables其中前者是 HID 的基本规范文件，后者可以是前者的附件，为开发人员提供实际的控制类型的描述。文件是用来定
5、义让主机了解以及使用 HID 数据的数值。这两份文件是由 USB Device Working Group 制定的，可以在网址http:/www.usb.org/developers/hidpage/ #Class _Definition 下载。182 计算机高级接口实践8.1.2 HID 设备的硬件要求HID 接口必须符合 Device Class Definition for Human interface Devices 规范内所定义的 HID 类别的需求。在此文件内描述了所需的描述符、传输的频率以及传输的类型等。为了符合规范，HID 接口的端点与描述符都必须符合数个要求。所有的 HID
6、 传输都是使用默认控制管道或是一个中断管道，HID 设备必须有一个中断输入端点来传送数据到主机，中断输出端点则不是必需的。表 8-1 HID 设备的传输类型传输类型 数据来源 数据类型是否需要管道设备（输入） 没有严格时间限制的数据 是控制 主机（输出） 没有严格时间限制的数据或是没有中断输出管道时的任何数据设备（输入） 定时或低延迟的数据 是中断主机（输出） 定时或低延迟的数据 是主机与设备之间所交换的数据，可以分成两种类型： 低延迟的数据，必须尽快地到达目的； 配置或其他的数据，没有严格时间限制的需求。中断管道是控制管道之外的另一种数据交换的方式，特别适合使用在接收端需要定时或是尽可能及时
7、收到数据的时候。中断输入管道携带数据到主机，中断输出管道则是携带数据到设备。在总线忙的时候，控制管道可能会被延迟，而中断管道保证会有可得到的带宽。HID 不需要一定有中断输出管道。如果没有中断输出管道，主机会在控制管道上使用 HID 设备特有的 Set_Report 请求来传送所有的报表。8.1.3 HID 固件的要求主机的驱动程序要与 HID 设备通信，设备的固件必须符合下列需求： 设备的描述符必须识别该设备包含有 HID 接口。 除了默认控制管道外，固件必须另外支持一个中断输入管道。 固件必须包含一个报表描述符来定义要传送与接收的设备数据。如果要传送数据，固件必须支持 Get_Report
8、 控制传输与中断输入传输。如果要接收数据，固件必须支持 Set_Report 控制传输与选择性的中断输出传输。所有的 HID 数据都必须使用定义过的报表格式来定义报表中数据的大小与内容。设备可以支持一个或多个报表。在固件中的一个报表描述符用来描述此报表，以及如何使用报表数据的信息。HID 类别驱动程序HID 类别设备主机 外设默认控制管道中断管道图 8-1 HID传输的传输类型第 8 章 USB 接口 HID 设备 183在每一个报表中的一个数值，定义此报表是一个输入（Input） 、输出（Output）或是特征（Feature ）报表。主机在输入报表中接收数据，在输出报表中传送数据，特征报表
9、可以在任何方向传递。Windows 98 以及后来版本的 HID 驱动程序使用中断传输来传递输入报表。输出报表的传输类型要根据设备支持的端点与 Windows 的版本而定。Windows 98 Gold 只符合HID 1.0 规范，它的 HID 驱动程序使用控制传输来传递输出报表。 Windows 98 SE、Wndows 2000 符合 HID 1.1 规范，HID 驱动程序在有中断输出端点时使用中断传输，否则使用控制传输来传递输出报表。特征报表都是使用控制传输。8.2 HID 设备描述符HID 设备连接到 USB 主机后，主机通过发送 Get_Descriptor 请求读取 HID 设备的
10、描述符，了解描述符对了解 USB 设备是至关重要的。8.2.1 HID 设备的描述符HID 设备除了支持 USB 设备的 5 种标准描述符之外，还支持 HID 设备特有的 3 种描述符。这些描述符是： USB 标准描述符：设备、配置、接口、端点和字符串描述符。 HID 特有的描述符：HID、报表（Report）和实体（Physical）描述符。从描述符的关联关系看，HID 描述符是关联于接口。所以如果一个 HID 设备有 2 个端点，设备不需要每个端点有一个 HID 描述符。从前面的 USB 描述符可以看出一个规律，描述符的第一、二字节分别是描述符的长度和类型，描述符的类型字段（bDescri
11、ptorType ）表明描述符的种类，下表列出了不同描述符的类型字段数值。图 8-2 HID描述符的关联关系接口描述符Interface端点描述符EndpointHID 描述符Hid报表描述符Report实体描述符PhysicalHID、报表和实体描述符是 HID 设备特有的描述符184 计算机高级接口实践表 8-2 HID 的描述符类型 描述符 应用 数值设备 Device 所有设备必须有，只能一个 01配置 Configuration 所有设备必须有，至少一个 02字符串 String 可选择 03接口 Interface 每一个接口一个 04端点 Endpoint 除端点 0 之外的每个
12、端点一个 05设备限定 Device_Qualiffier 06Other_Speed_Configuration同时支持全速与高速的设备必须有一个 07标准Interface_power 08HID HID 设备必须有 21类别Hub 29报表 Report HID 设备必须有 22HID特定 实体 Physical 可选择的 23对于一个 HID 设备，设备描述符与配置描述符没有 HID 特定的信息。其设备描述符的 bDeviceClass 和 bDeviceSubClass 字段的值为 0，接口描述符的 bInterfaceClass 字段值为 03，表示设备的该接口是 HID 类别。在
13、接口描述符中其他包含 HID 特定信息的字段还有子类别码（blnterfaceSubClass）与协议码（blnterfaceProtocol 字段） 。在接口描述符中子类别码字段等于 1 表示此设备支持启动接口（Boot Interface） 。如果设备有启动接口，即便主机的 HID 没有加载驱动程序，设备也可以使用。这种情形可能发生在计算机是由 DOS 直接启动，在启动时观看系统设置画面或使用 Wndows 的安全模式时。含有启动接口的键盘或鼠标可以使用 BIOS 或许多主机支持的默认简单协议。HID 规范定义了键盘与鼠标的启动接口协议。如果设备没有启动接口，并且接口描述符中协议码字段是
14、1，表示设备支持键盘接口，协议码字段是 2，表示支持鼠标接口。接口描述符中协议码字段是 0，表示设备不支持启动协议。在 HID Usage Tables 规范中定义了键盘与鼠标的启动描述符（Boot Descriptor） 。BIOS 不需要从设备中读取描述符，因为它知道启动协议，并且假设设备支持启动协议。所以要启动的设备不需要在固件内包含启动接口描述符，它只要在主机尚未要求在报表描述符中的定义协议时支持启动协议即可。在操作系统加载 HlD 驱动程序后会使用Set_Protocol 请求，将设备由启动协议转换成报表协议。8.2.2 HID 描述符HID 描述符的主要作用是用来识别 HID 通信
15、所使用的额外描述符。下表是 HID 描述符结构。表 8-3 HID 描述符结构偏移量 字段字节数数值类型 说明0 bLength 1 Numeric 描述符字节数1 bDescriptorType 1 Constant 0x21 = HID 描述符2 bcdHID 2 Numeric HID 规范版本号（BCD）4 bCountryCode 1 Numeric 硬件设备所在国家的国家代码5 bNumDescriptors 1 Numeric 类别描述符数目（至少有一个报表描述符）6 bDescriptorType 1 Constant 类别描述符的类型第 8 章 USB 接口 HID 设备 1
16、857 wDescriptorLength 2 Numeric 报表描述符的总长度9 bDescriptorType. 1 Constant 附加的描述符的类型，可选的10 wDescriptorLength. 2 Numeric 附加的描述符的总长度，可选的bcdHID：设备与其描述符所遵循的 HID 规范的版本号码，此数值是 4 个 16 进位的BCD 格式字符。例如版本 1.1 的 bcdHID 是 0110h。bCountryCode：硬件目的国家的识别码。如果不说明，该字段为 0。bDescriptorType：HID 描述符附属的描述符的类型（报表或实体） 。每一个 HID 都必须至少支持一个报表描述符。一个接口可以支持
