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  • 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。

    • 设备描述符中：bDeviceClass, bDeviceSubClass, bDeviceProtocol三个值必须为0

    • 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 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
    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

    物理描述符被用来描述设备的行为特性，物理描述符是可选的，HID设备可以根据其本体的设备特性选择是否包含物理描述符。下表是HID的物理描述符结构。

    HID物理描述符的结构

    物理描述符用来描述行为特性，是可选的。

    偏移量 域 大小 描述
    0 bDesignator 1 用来指定本体的哪一部分影响项目
    1 bFlags 1 位指定标志
    位0~4：Effort
    位5~7：Qualifier

    bDesignator取值含义表

    取值 含义 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 - -

    Qualifier取值含义

    取值 含义 取值 含义
    0x00 无 0x04 其中之一
    0x01 右 0x05 中间
    0x02 左 0x06 保留
    0x03 同时 0x07 保留

    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 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

    域 值 描述
    bmRequestType 0xA1
    bRequest 0x01
    wValue 高字节表示报告类型
    0x01:input
    0x02:output
    0x03:feature
    other: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

    域 值 描述
    bmRequestType 0x21
    bRequest 0x09
    wValue 高字节表示报告类型
    0x01:input
    0x02:output
    0x03:feature
    other: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

    域 值 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

    域 值 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 无

    GET_PROTOCOL

    域 值 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

    域 值 描述
    bmRequestType 0x21
    bRequest 0x0B
    wValue 0 = Boot Protocol
    1 = Report Protocol
    wIndex HID的interface索引值
    wLength 0
    Data 无
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