USB HID设备

原文:百合电子工作室

一、应用场合

USB HID类是比较大的一个类，HID类设备属于人机交互操作的设备。用于控制计算机操作的一些方面，如USB鼠标，USB键盘，USB游戏操纵杆，USB触摸板，USB轨迹球、电话拨号设备、VCR遥控等等设备。另外，使用HID设备的一个好处就是，操作系统自带了HID类的驱动程序，而用户无需去开发很麻烦的驱动程序，只要直接使用API调用即可完成通信。所以很多简单的USB设备，喜欢枚举成HID设备，这样就可以不用安装驱动而直接使用。

二、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。

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

　　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。

三、与USB HID设备有关的描述符

HID设备的描述符除了5个USB的标准描述符（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符，见百合电子工作室的另一篇文章：USB开发基础－－USB命令（请求）和USB描述符）外，还包括3个HID设备类特定描述符：HID描述符、报告描述符、实体描述符。

　　除了HID的三个特定描述符组成对HID设备的解释外，5个标准描述符中与HID设备有关的部分有：

• 设备描述符中bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol三个字段的值必须为零。
• 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），bInterfaceProtocol的取值含义如下表所示：　

表2、HID接口描述符中bInterfaceProtocol的含义

bInterfaceProtocol的取值（十进制）

含义

0

NONE

1

键盘

2

鼠标

3~255

保留

下面分别对这3个HID设备类特定描述符进行说明。

1、HID描述符

HID描述符关联于接口描述符，因而如果一个设备只有一个接口描述符，则无论它有几个端点描述符，HID设备只有一个HID描述符。HID设备描述符主要描述HID规范的版本号、HID通信所使用的额外描述符、报表描述符的长度等。表2所示为HID描述符的结构：

表3、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，取值见表5

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

 

表4、HID硬件目的国家识别码

识别码（十进制）

国家和地区

 

识别码（十进制）

国家和地区

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相关描述符类型定义

描述符类型值

HID相关描述符类型

0x21

HID描述符

0x22

报表描述符

0x23

实体描述符

2、报告描述符

HID设备的报告描述符比较复杂也比较难理解。

　　报告描述符的语法不同于USB标准描述符，它是以项目（items）方式排列而成，无一定的长度。HID的报告描述符已经不是简简单单的描述某个值对应某个固定意义了，它已经能够组合出很多种情况，并且需要PC上的HID驱动程序提供parser解释器来对描述的设备情形进行重新解释，进而组合生成出本HID硬件设备独特的数据流格式，所以我觉得可以把它理解为“报告描述符脚本语言”更为贴切。我们使用“报告描述符”专用脚本语言，让用户来自己定义他们的HID设备都有什么数据、以及这些数据各个位（bit）都有什么意义。

　　有关报告描述符的详细信息可参考USB HID协议，USB协会提供了一个HID 描述符编辑工具称作HID Descriptor Tool，用它可方便生成我们的报告描述符。

3、实体描述符

　　实体描述符被用来描述设备的行为特性。实体描述符是可选的描述符，HID设备可以根据其本体的设备特性选择是否包含实体描述符。表5所示为HID的实体描述符结构。

表6、HID实体描述符的结构

偏移量

域

大小　

说明

0

bDesignator

1

用来指定本体的哪一部分影响项目（含义见表6）

1

bFlags

1

位指定标志
位0~4：Effort
位5~7：Qualifier（含义见表7）

 

表7、bDesignator取值含义表

bDesignator取值

含义

 

bDesignator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

 

 

 

表8、Qualifier取值含义

Qualifier取值

含义

 

Qualifier取值

含义

0x00

无

0x04

其中之一

0x01

右

0x05

中间

0x02

左

0x06

保留

0x03

两者同时

0x07

保留

四、USB HID类命令（请求）

HID设备类特定的命令（请求）有6个，它们分别是Get_Report、Get_Idle、Get_Protocol、Set_Report、Set_Idle和Set_Protocol。

HID类请求（命令）数据包格式如表8所示：

表9、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（参考表9）

2

wValue

2

高字节说明描述符的类型（参考表5），而低字节为非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

6

wLength

2

该请求的数据段长度

 

表10、HID类请求

数值

HID类请求描述符

注释

0x01

GET_REPORT

 

0x02

GET_IDLE

 

0x03

GET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备（Boot Device）

0x09

SET_REPORT

 

0x0A

SET_IDLE

 

0x0B

SET_PROTOCOL

仅仅适应于支持启动功能的HID设备（Boot Device）

USB主机在请求HID设备的配置描述符时，设备首先返回的描述符为：配置描述符、接口描述符、HID描述符、端点描述符。HID描述符里包含了其附属的描述的类型和长度（如报告描述符），然后主机再根据HID描述符的信息请求其相关的描述符。