USB HID介绍【转】

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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）。

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

下面用一个三键鼠标举例说明：

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

长item，其bType位值为3，bTag值为F

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。

HID设备6种特定请求

GET_REPORT：主机通过控制端点获取一个Report

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

GET_IDLE

SET_IDLE

GET_PROTOCOL

SET_PROTOCOL