USB初学(一)---USB-HID的初步认识【转】

HID是一种USB通信协议,无需安装驱动就能进行交互,在学习HID之前,先来复习一下USB协议的相关内容。

USB设备描述符-概述

当插入USB设备后,主机会向设备请求各种描述符来识别设备。那什么是设备描述符呢?

Descriptor即描述符,是一个完整的数据结构,可以通过C语言等编程实现,并存储在USB设备中,用于描述一个USB设备的所有属性,USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。

描述符的作用就是通过命令操作作来给主机传递信息,从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小,只有主机确定了这些信息之后,设备才能真正开始工作。

USB有那些标准描述符?

USB有5种标准描述符:

  • 设备描述符
  • 配置描述符
  • 字符描述符
  • 接口描述符
  • 端点描述符

描述符之间有一定的关系,一个设备只有一个设备描述符,而一个设备描述符可以包含多个配置描述符,而一个配置描述符可以包含多个接口描述符,一个接口使用了几个端点,就有几个端点描述符。

由此我们可以看出,USB的描述符之间的关系是一层一层的,最上一层是设备描述符,下面是配置描述符,再下面是接口描述符,再下面是端点描述符。

在获取描述符时,先获取设备描述符,然后再获取配置描述符,根据配置描述符中的配置集合长度,一次将配置描述符、接口描述符、端点描述符一起一次读回。其中可能还会有获取设备序列号,厂商字符串,产品字符串等。

设备描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
  BYTE   bLength;    //设备描述符的字节数大小
  BYTE   bDescriptorType;   //描述符类型编号,为0x01
  WORD  bcdUSB;   //USB版本号
  BYTE  bDeviceClass;   //USB分配的设备类代码,0x01~0xfe为标准设备类,0xff为厂商自定义类型,0x00不是在设备描述符中定义的,如HID
  BYTE   bDeviceSubClass;  //usb分配的子类代码,同上,值由USB规定和分配的,HID设备此值为0
  BYTE  bDeviceProtocl;  //USB分配的设备协议代码,同上HID设备此值为0
  BYTE   bMaxPacketSize0;  //端点0的最大包的大小
  WORD   idVendor;  //厂商编号
  WORD   idProduct;  //产品编号
  WORD  bcdDevice;  //设备出厂编号
  BYTE   iManufacturer;   //描述厂商字符串的索引
  BYTE   iProduct;   //描述产品字符串的索引
  BYTE   iSerialNumber;  //描述设备序列号字符串的索引
  BYTE   bNumConfiguration;   //可能的配置数量
}

配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
  BYTE  bLength;   //配置描述符的字节数大小
  BYTE   bDescriptorType;   //描述符类型编号,为0x02
  WORD   wTotalLength;   //配置所返回的所有数量的大小
  BYTE   bNumInterface;  //此配置所支持的接口数量
  BYTE   bConfigurationVale;   //Set_Configuration命令需要的参数值
  BYTE   iConfiguration;  //描述该配置的字符串的索引值
  BYTE  bmAttribute;  //供电模式的选择
  BYTE   MaxPower;   //设备从总线提取的最大电流

}

字符描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT

{
    BYTE bLength; //字符串描述符的字节数大小
    BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号,为0x03
    BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE编码的字符串
}

接口描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT

{

    BYTE bLength; //接口描述符的字节数大小
    
    BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号,为0x04
    
    BYTE bInterfaceNunber; //接口的编号
    
    BYTE bAlternateSetting;//备用的接口描述符编号
    
    BYTE bNumEndpoints; //该接口使用端点数,不包括端点0
    
    BYTE bInterfaceClass; //接口类型 HID设备此值为0x03
    
    BYTE bInterfaceSubClass;//接口子类型 HID设备此值为0或者1
    
    BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的协议
    
    BYTE iInterface; //描述该接口的字符串索引值

}

端点描述符

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT

{

    BYTE bLength; //端点描述符的字节数大小
    
    BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号,为0x05
    
    BYTE bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性
    
    BYTE bmAttribute; //端点的传输类型属性
    
    WORD wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包的大小
    
    BYTE bInterval; //主机查询端点的时间间隔

}

HID设备描述符

温习了以上内容,我们再来看看HID协议与这些描述符之间的关系。

当插入USB设备后,主机会向设备请求各种描述符来识别设备。

为了把一个设备识别为HID类别,设备在定义描述符的时候必须遵守HID规范。

从框图中,可以看出除了USB标准定义的一些描述符外,HID设备还必须定义HID描述符。另外设备和主机的通信是通过报告的形式来实现的,所以还必须定义报告描述符;而物理描述符不是必需的。还有就是HID描述符是关联于接口(而不是端点)的,所以设备不需要为每个端点都提供一个HID描述符。

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)。

USB HID类描述符的结构

偏移量

大小

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 0x21:HID描述符 0x22:报告描述符 0x23:物理描述符

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

报告描述符

报告描述符比较复杂,它是以item形式排列组合而成,无固定长途,用户可以自定义长度以及每一bit的含义。item类型分三种:main,global和local,其中main类型又可分为5种tag:

  • input item tag:指的是从设备的一个或多个类似控制管道得到的数据
  • output item tag:指的是发送给一个或多个类似控制管道的数据
  • feature item tag:表示设备的输入输出不面向最终用户
  • collection item tag:一个有意义的input,output和feature的组合项目
  • end collection item tag:指定一个collectionitem的终止

每一个main item tag(input,output,feature)都表明了来自一个特定管道的数据的大小,数据相对还是独立,以及其他相关信息。在此之前,global和local item定义了数据的最大值和最小值,等等。local item仅仅描述下一个main item定义的数据域,而global item是这一个报告描述符中所有后续数据段的默认属性。

一个报告描述符可能包含多个main item,为了准确描述来自一个控制管道的数据,一个报告描述符必须包括以下内容:

  • input(output,feature)
  • usage
  • usage page
  • Logical Minimum
  • Logical Maximum
  • Report Size
  • Report Count
Usage Page (Generic Desktop);    //global item

Usage (Mouse);    //global item 
Collection (Application);    //Start Mouse collection
Usage (Pointer);    //
Collection (Physical);    //Start Pointer collection
Usage Page (Buttons)
Usage Minimum (1),
Usage Maximum (3),
Logical Minimum (0),
Logical Maximum (1) ;   //Fields return values from 0 to 1
Report Count (3),
Report Size (1);   //Create three 1 bit fields (button 1, 2, & 3)
Input (Data, Variable, Absolute);   //Add fields to the input report.
Report Count (1),
Report Size (5);   //Create 5 bit constant field
Input (Constant), ;Add field to the input report
Usage Page (Generic Desktop),
Usage (X),
Usage (Y),
Logical Minimum (-127),
Logical Maximum (127);    //Fields return values from -127 to 127
Report Size (8),
Report Count (2);    //Create two 8 bit fields (X & Y position)
Input (Data, Variable, Relative);   //Add fields to the input report
End Collection;   //Close Pointer collection
End Collection;   //Close Mouse collection

item的数据格式有两种,分别是短item和长item。

短item格式

bSize

0:0个字节1:1个字节2:2个字节3:4个字节

bType

0:main 1:global 2:local 3:保留

bTag

item类型 8:input 9:output A:collection B:feature C:end collection

长item,其bType位值为3,bTag值为F

bDataSize

0:0个字节 1:1个字节 2:2个字节3:4个字节

bLongItemTag

bLongItemTag 0:main 1:global 2:local 3:保留

data

数据

物理描述符用来描述行为特性,是可选的。

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。

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。

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

HID设备6种特定请求

HID类请求(命令)包格式

偏移量

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(参考下表)

2

wValue

2

高字节说明描述符的类型 0x21:HID描述符 0x22:报告描述符 0x23:物理描述符 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

HID类请求

数值

HID类请求描述符

注释

0x01

GET_REPORT

主机用控制传输从设备接收数据,所有HID类设备都要支持这个请求;

0x02

GET_IDLE

主机读取设备当前的空闲速率,设备可以不支持此请求;

0x03

GET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备(Boot Device)

0x09

SET_REPORT

设备用控制传输接收主机的数据,设备可以不支持此请求;

0x0A

SET_IDLE

设置闲置状态,设备可不支持此请求;

0x0B

SET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备(Boot Device)

GET_REPORT:主机通过控制端点获取一个Report

描述

bmRequestType

0xA1

bRequest

0x01

wValue

高字节表示报告类型0x01:input0x02:output0x03:featureother:reserved 低字节表示ReportID,如不使用设为0

wIndex

HID的interface索引值

wLength

Report长度

Data

Report内容

SET_REPORT:主机发送一个Report给设备,用以设置input,output或者feature

描述

bmRequestType

0x21

bRequest

0x09

wValue

高字节表示报告类型0x01:input0x02:output0x03:featureother:reserved 低字节表示ReportID,如不使用设为0

wIndex

HID的interface索引值

wLength

Report长度

Data

Report内容

GET_IDLE

描述

bmRequestType

0xA1

bRequest

0x02

wValue

高字节0 低字节表示ReportID,如不使用设为0

wIndex

HID的interface索引值

wLength

1

Data

空闲速率

SET_IDLE

描述

bmRequestType

0x21

bRequest

0x0A

wValue

新的速率 低字节表示ReportID,如不使用设为0

wIndex

HID的interface索引值

wLength

0

Data

GET_PROTOCOL

描述

bmRequestType

0xA1

bRequest

0x03

wValue

0

wIndex

HID的interface索引值

wLength

1

Data

0 = Boot Protocol 1 = Report Protocol

SET_PROTOCOL

描述

bmRequestType

0x21

bRequest

0x0B

wValue

0 = Boot Protocol 1 = Report Protocol

wIndex

HID的interface索引值

wLength

0

Data

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