基于HID類的USB人機接口設計

　　摘要 USB設備及其驅動程序的復雜性給開發人員帶來了很大的開發難度。本文給出一種采用C8051F120微控制器和PDIUSBD12 USB控制器結合的方式實現人機接口設備(Human Interface Devices)的方法，以及如何編寫應用程序來對它進行訪問。此設備無需編寫USB設備驅動程序，Windows系統能夠自動識別。

　　關鍵詞 HID 人機接口設備 USB 描述符 中斷傳輸 報告

　　目前市場上USB設備的種類繁多，但是這些設備會有一些共同的特性，根據這些特性可以把USB設備劃分為不同的類，如顯示設備、通信設備、音頻設備、大容量存儲設備、人機接口設備(HID)。這里介紹如何實現HID類設備，以及如何在應用程序中對HID類設備進行訪問。從Windows98操作系統開始，為HID類設備提供了通用的驅動程序，所以只要按照HID設備類的規范編寫設備的固件程序，就能夠讓Windows系統自動識別設備，省去了復雜的驅動程序編寫過程。

　　1 HID協議簡介

　　人機接口設備(HID)主要是指一些人與計算機進行交互的設備，如鍵盤、鼠標、游戲桿等;但是HID設備不一定非要是這些人機交互設備，只要符合HID設備級定義規范要求的都可以認為是HID設備。HID設備有以下主要特點：

　　① 交換的數據存儲在報告的結構內，設備必須支持HID報告格式。

　　② 每筆事務可以攜帶小量或中量的數據。低速設備每筆事務最大為8字節，全速設備每筆最大為64字節，高速設備最大為1 024字節;

　　③ 有最大傳輸速度的限制。低速設備最快10 ms一筆事務，最高速度為800 B/s;全速設備最快1 ms一筆事務，最高速度為64 KB/s;高速設備最快125 μs一筆事務，最高速度為24.576 MB/s。

　　④ 沒有傳輸速度的保證。

　　當插入USB設備后，主機會向設備請求各種描述符來識別設備。為了把一個設備識別為HID類別，設備在定義描述符的時候必須遵守HID規范。圖1顯示了HID各種描述符之間的關系。事實上，每個設備可以有多個接口描述符來實現多接口設備，而且每個接口描述符下應該有多個端點描述符。

　　圖1 HID各種描述符之間的關系

　　從圖1中可以看出，除了USB標準定義的一些描述符外，HID設備還必須定義HID描述符。另外設備和主機的通信是通過報告的形式來實現的，所以還必須定義報告描述符;而物理描述符不是必需的。還有就是HID描述符是關聯于接口(而不是端點)的，所以設備不需要為每個端點都提供一個HID描述符。

　　USB設備有4種傳輸方式與主機進行通信： 控制方式、中斷方式、批量方式和同步方式。每種方式都有它的應用領域。HID只支持控制和中斷傳輸方式。如圖2所示，HID設備必須要有默認的控制管道和一個中斷輸入端點;中斷輸出端點是可選的。

　　圖2 HID類設備使用控制和中斷傳輸方式

　　中斷輸出傳輸是USB1.1規范才有的內容，且必須獲得Windows系統的支持。從Windows98 SE版本開始才支持中斷輸出傳輸方式，所以如果需要中斷輸出傳輸方式的設備應該選擇相應的操作系統。表1列出了傳輸類型和相關情況。

　　表1 HID類設備支持的傳輸方式傳輸

　　USB協議定義了11種請求命令，通過這些請求來獲得設備的信息及對設備進行設置。HID類設備除了要支持這11種標準的請求外，還要實現以下6種特定請求：

　　① Get_Report——主機用控制傳輸從設備接收數據，所有HID類設備都要支持這個請求;

　　② Set_Report——設備用控制傳輸接收主機的數據，設備可以不支持此請求;

　　③ Get_Idle——主機讀取設備當前的空閑速率，設備可以不支持此請求;

　　④ Set_Idle——設置閑置狀態，設備可不支持此請求;

　　⑤ Get_Protocol——主機獲得設備的當前活動是引導協議還是報告協議;

　　⑥ Set_Protocol——在引導協議和報告協議間切換，設備如果支持系統引導(如鍵盤和鼠標)，就必須支持Get_Protocol和Set_Protocol請求。

　　2 HID接口固件設計與實現

　　該設備采用C8051F120微控制器和PDIUSBD12芯片來實現，如圖3所示。

　　圖3 HID系統結構框圖

　　因為PDIUSBD12的主端點(Endpoint2)具有64字節的雙緩沖，能夠提供比較高的速度，所以在端點描述符里把它配置為中斷傳輸方式，而Endpoint1沒有使用。PDIUSBD12通過中斷觸發CPU來響應主機的各種請求。

　　此系統采用的USB協議版本是1.1，所以能夠支持中斷輸出傳輸。為了讓主機把設備識別為HID類別，定義設備接口描述符時類別這一字段的值必須設置為0x03(HID類別)，這樣主機就會繼續請求獲得設備的HID描述符和報告描述符。在主機Get_Descriptor請求中，當值字段的高位字節為0x21時，表示主機要求獲得HID描述符;當值字段高字節為0x22時，就是主機要求獲得報告描述符。對于報告描述符，可以參考HID Usage Tables規范。HID Descriptor Tool工具可以幫助建立和測試編寫的報告描述符。這里定義了一個輸入和輸出64字節數據的報告描述符。

　　code unsigned char szReport[] = {

　　0x06,0xA0,0xFF,//用法頁(FFA0h, vendor defined)

　　0x09, 0x01,//用法(vendor defined)

　　0xA1, 0x01,//集合(Application)

　　0x09, 0x02 ,//用法(vendor defined)

　　0xA1, 0x00,//集合(Physical)

　　0x06,0xA1,0xFF,//用法頁(vendor defined)

　　//輸入報告

　　0x09, 0x03 ,//用法(vendor defined)

　　0x09, 0x04,//用法(vendor defined)

　　0x15, 0x80,//邏輯最小值(0x80 or -128)

　　0x25, 0x7F,//邏輯最大值(0x7F or 127)

　　0x35, 0x00,//物理最小值(0)

　　0x45,0xFF,//物理最大值(255)

　　0x75, 0x08,//報告長度Report size (8位)

　　0x95, 0x40,//報告數值(64 fields)

　　0x81, 0x02,//輸入(data, variable, absolute)

　　//輸出報告

　　0x09, 0x05,//用法(vendor defined)

　　0x09, 0x06,//用法(vendor defined)

　　0x15, 0x80,//邏輯最小值(0x80 or -128)

　　0x25, 0x7F,//邏輯最大值(0x7F or 127)

　　0x35, 0x00,//物理最小值(0)

　　0x45,0xFF,//物理最大值(255)

　　0x75,0x08,//報告長度(8位)

　　0x95, 0x40,//報告數值(64 fields)

　　0x91, 0x02,//輸出(data, variable, absolute)

　　0xC0,//集合結束(Physical)

　　0xC0//集合結束(Application)

　　};

　　這樣，后面數據的輸入和輸出都必須滿足報告的格式才能夠進行傳輸。

　　圖4 應用程序枚舉HID設備流程

　　3 應用程序設計實現

　　Windows為應用程序訪問HID設備提供了強大的支持，有一整套對HID設備進行訪問的API。應用程序要訪問設備就必須先枚舉到設備，圖4為應用程序枚舉HID設備流程。

　　枚舉成功后根據返回的設備句柄，就可以用ReadFile和WriteFile來讀寫設備的數據了。這里采用異步方式來讀寫數據，這樣不會發生讀寫時阻塞，提高了程序的效率。以下是異步方式讀寫設備的要點：

　　① 為了實現異步訪問設備，在CreateFile打開設備時必須使用FILE_FLAG_OVERLAPPED標志。

　　② 打開設備成功后，使用CreateThread建立1個讀設備線程。

　　③ 在這個線程中首先建立1個OVERLAPPED結構，并用CreateEvent函數初始化它的hEvent成員，這樣就創建了1個事件對象。

　　④ 調用ReadFile函數，并傳入這個結構。

　　⑤ 調用ReadFile后會立即返回，必須調用GetLastError獲得出錯碼。 如果為ERROR_IO_PENDING， 說明此操作是在等待完成的;否則，說明調用出錯。

　　⑥ 調用WaitForSingleObject等待hEvent事件的通知，并使此線程進入休眠狀態。如果有數據發送到主機，讀線程就會被激活。

　　WriteFile的使用也同樣要求異步操作，與ReadFile的使用差不多。

　　這里要注意的是，在每次讀寫數據前都要先接收和發送1字節的PID標志，所以每次讀寫數據的時候都要多一個字節。比如，這里每次讀寫的是64字節數據，但是在這64字節之前必須放1字節的PID數據，所以是65字節。一般這個字節的值為0。

　　4 小結

　　充分利用PDIUSBD12主端口的雙緩沖特性后，測試設備與PC間傳輸速度能達到8 KB/s以上，對于一些傳輸數據量不大，速度要求不高，而又必須在短時間內做出響應的場合基本能夠滿足要求。在此基礎上只要生成不同的報告描述符，就能開發出各種不同的嵌入式設備;而且這樣的設備無需驅動，在插入PC后就能立刻開始工作，省去了安裝驅動程序的過程，方便使用。

　　參考文獻

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