USB 設備類協議入門【轉】

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一、應用場合

USB HID類是比較大的一個類，HID類設備屬于人機交互操作的設備。用于控制計算機操作的一些方面，如USB鼠標，USB鍵盤，USB游戲操縱桿，USB觸摸板，USB軌跡球、電話撥號設備、VCR遙控等等設備。另外，使用HID設備的一個好處就是，操作系統自帶了HID類的驅動程序，而用戶無需去開發很麻煩的驅動程序，只要直接使用API調用即可完成通信。所以很多簡單的USB設備，喜歡枚舉成HID設備，這樣就可以不用安裝驅動而直接使用。

二、USB HID類可采用的通信管道

所有的HID設備通過USB的控制管道（默認管道，即端點0）和中斷管道與主機通信。
表1、USB HID規范定義的HID設備可用端點?
管道 要求 說明
控制(端點0) 必須 傳輸USB描述符、類請求代碼以及供查詢的消息數據等
中斷輸入 必須 傳輸從設備到主機的輸入數據
中斷輸出 可選 傳輸從主機到設備的輸出數據



控制管道主要用于以下3個方面：
接收/響應USB主機的控制請示及相關的類數據
在USB主機查詢時傳輸數據（如響應Get_Report請求等）
接收USB主機的數據

中斷管道主要用于以下兩個方面：
USB主機接收USB設備的異步傳輸數據
USB主機發送有實時性要求的數據給USB設備

從USB主機到USB設備的中斷輸出數據傳輸是可選的，當不支持中斷輸出數據傳輸時，USB主機通過控制管道將數據傳輸給USB設備。

三、與USB HID設備有關的描述符

HID設備的描述符除了5個USB的標準描述符（設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符，見百合電子工作室的另一篇文章：USB開發基礎－－USB命令（請求）和USB描述符）外，還包括3個HID設備類特定描述符：HID描述符、報告描述符、實體描述符。

除了HID的三個特定描述符組成對HID設備的解釋外，5個標準描述符中與HID設備有關的部分有：
設備描述符中bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol三個字段的值必須為零。
接口描述符中bInterfaceClass的值必須為0x03，bInterfaceSubClass的值為0或1，為1表示HID設備符是一個啟動設備（Boot Device，一般對PC機而言才有意義，意思是BIOS啟動時能識別并使用您的HID設備，且只有標準鼠標或鍵盤類設備才能成為Boot Device。如果為0則只有在操作系統啟動后才能識別并使用您的HID設備），bInterfaceProtocol的取值含義如下表所示：　
表2、HID接口描述符中bInterfaceProtocol的含義
bInterfaceProtocol的取值（十進制） 含義
0 NONE
1 鍵盤
2 鼠標
3~255 保留


下面分別對這3個HID設備類特定描述符進行說明。

1、HID描述符

HID描述符關聯于接口描述符，因而如果一個設備只有一個接口描述符，則無論它有幾個端點描述符，HID設備只有一個HID描述符。HID設備描述符主要描述HID規范的版本號、HID通信所使用的額外描述符、報表描述符的長度等。表2所示為HID描述符的結構：
表3、USB HID類描述符的結構?
偏移量 域 大小 值 描述
0 bLength 1 數字 此描述符的長度（以字節為單位）
1 bDescriptorType 1 常量 描述符種類（此處為0x21即HID類描述符）
2 bcdHID 2 數字 HID規范版本號（BCD碼），采用4個16進制的BCD格式編碼，如版本1.0的BCD碼為0x0100,版本為1.1的BCD碼為0x0110
4 bCountryCode 1 數字 硬件目的國家的識別碼（BCD碼）（見表3）
5 bNumDescritors 1 數字 支持的附屬描述符數目
6 bDescriptorType 1 常量 HID相關描述符的類型，取值見表5
7 wDescriptorLength 2 數字 報告描述符總長度
9 bDescriptorType 1 常量 用于識別描述符類型的常量，使用在有一個以上描述符的設備
10 wDescriptorLength 2 數字 描述符總長度，使用在有一個以上描述符的設備


表4、HID硬件目的國家識別碼
識別碼（十進制） 國家和地區 識別碼（十進制） 國家和地區
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相關描述符類型定義
描述符類型值 HID相關描述符類型
0x21 HID描述符
0x22 報表描述符
0x23 實體描述符



2、報告描述符

HID設備的報告描述符比較復雜也比較難理解。

報告描述符的語法不同于USB標準描述符，它是以項目（items）方式排列而成，無一定的長度。HID的報告描述符已經不是簡簡單單的描述某個值對應某個固定意義了，它已經能夠組合出很多種情況，并且需要PC上的HID驅動程序提供parser解釋器來對描述的設備情形進行重新解釋，進而組合生成出本HID硬件設備獨特的數據流格式，所以我覺得可以把它理解為“報告描述符腳本語言”更為貼切。我們使用“報告描述符”專用腳本語言，讓用戶來自己定義他們的HID設備都有什么數據、以及這些數據各個位（bit）都有什么意義。

有關報告描述符的詳細信息可參考USB HID協議，USB 協會提供了一個HID 描述符編輯工具稱作HID Descriptor Tool，用它可方便生成我們的報告描述符。

3、實體描述符

實體描述符被用來描述設備的行為特性。實體描述符是可選的描述符，HID設備可以根據其本體的設備特性選擇是否包含實體描述符。表5所示為HID的實體描述符結構。
表6、HID實體描述符的結構
偏移量 域 大小　 說明
0 bDesignator 1 用來指定本體的哪一部分影響項目（含義見表6）
1 bFlags 1 位指定標志
位0~4：Effort
位5~7：Qualifier（含義見表7）

表7、bDesignator取值含義表
bDesignator取值 含義 bDesignator取值 含義
0x00 無 0x15 小指
0x01 手 0x16 頭
0x02 眼球 0x17 肩
0x03 眉 0x18 腰骨
0x04 眼皮 0x19 腰
0x05 耳 0x1A 大腿
0x06 鼻 0x1B 膝蓋
0x07 嘴 0x1C 小腿
0x08 上唇 0x1D 足
0x09 下唇 0x1E 腳
0x0A 顎 0x1F 腳跟
0x0B 頸 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 臉
0x13 中指 0x28~0xFF 保留
0x14 無名指


表8、Qualifier取值含義
Qualifier取值 含義 Qualifier取值 含義
0x00 無 0x04 其中之一
0x01 右 0x05 中間
0x02 左 0x06 保留
0x03 兩者同時 0x07 保留


四、USB HID類命令（請求）

HID設備類特定的命令（請求）有6個，它們分別是Get_Report、Get_Idle、Get_Protocol、Set_Report、Set_Idle和Set_Protocol。

HID類請求（命令）數據包格式如表8所示：
表9、HID類請求（命令）包格式
偏移量 域 大小 說明
0 bmRequestType 1
HID設備類請求特性如下：
位7：
0＝從USB HOST到USB設備
1＝從USB設備到USB HOST
位6~5：
01＝請求類型為設備類請求
位4~0：
0001＝請求對象為接口（interface）

因而，針對HID的設備類請求，僅僅10100001和00100001有效
1 bRequest 1 HID類請求（參考表9）
2 wValue 2 高字節說明描述符的類型（參考表5），而低字節為非0值時被用來選定實體描述符。
4 wIndex 2 2字節數值，根據不同的bRequest有不同的意義
6 wLength 2 該請求的數據段長度


表10、HID類請求
數值 HID類請求描述符 注釋
0x01 GET_REPORT
0x02 GET_IDLE
0x03 GET_PROTOCOL 僅僅適應于支持啟動功能的HID設備（Boot Device）
0x09 SET_REPORT
0x0A SET_IDLE
0x0B SET_PROTOCOL 僅僅適應于支持啟動功能的HID設備（Boot Device）


USB主機在請求HID設備的配置描述符時，設備首先返回的描述符為：配置描述符、接口描述符、HID描述符、端點描述符。HID描述符里包含了其附屬的描述的類型和長度（如報告描述符），然后主機再根據HID描述符的信息請求其相關的描述符。