USB初學（一）---USB-HID的初步認識【轉】

HID是一種USB通信協議，無需安裝驅動就能進行交互，在學習HID之前，先來複習一下USB協議的相關內容。

USB設備描述符－概述

當插入USB設備後，主機會向設備請求各種描述符來識別設備。那什麼是設備描述符呢？

Descriptor即描述符，是一個完整的數據結構，可以通過C語言等編程實現，並存儲在USB設備中，用於描述一個USB設備的所有屬性，USB主機是通過一系列命令來要求設備發送這些信息的。

描述符的作用就是通過命令操作作來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具有什麼功能、屬於哪一類設備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數據量的大小，只有主機確定了這些信息之後，設備才能真正開始工作。

USB有那些標準描述符？

USB有5種標準描述符：

• 設備描述符
• 配置描述符
• 字元描述符
• 介面描述符
• 端點描述符

描述符之間有一定的關係，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個介面描述符，一個介面使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。

由此我們可以看出，USB的描述符之間的關係是一層一層的，最上一層是設備描述符，下麵是配置描述符，再下麵是介面描述符，再下麵是端點描述符。

在獲取描述符時，先獲取設備描述符，然後再獲取配置描述符，根據配置描述符中的配置集合長度，一次將配置描述符、介面描述符、端點描述符一起一次讀回。其中可能還會有獲取設備序列號，廠商字元串，產品字元串等。

設備描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
  BYTE   bLength;    //設備描述符的位元組數大小
  BYTE   bDescriptorType;   //描述符類型編號，為0x01
  WORD  bcdUSB;   //USB版本號
  BYTE  bDeviceClass;   //USB分配的設備類代碼，0x01~0xfe為標準設備類，0xff為廠商自定義類型，0x00不是在設備描述符中定義的，如HID
  BYTE   bDeviceSubClass;  //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規定和分配的，HID設備此值為0
  BYTE  bDeviceProtocl;  //USB分配的設備協議代碼，同上HID設備此值為0
  BYTE   bMaxPacketSize0;  //端點0的最大包的大小
  WORD   idVendor;  //廠商編號
  WORD   idProduct;  //產品編號
  WORD  bcdDevice;  //設備出廠編號
  BYTE   iManufacturer;   //描述廠商字元串的索引
  BYTE   iProduct;   //描述產品字元串的索引
  BYTE   iSerialNumber;  //描述設備序列號字元串的索引
  BYTE   bNumConfiguration;   //可能的配置數量
}

配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
  BYTE  bLength;   //配置描述符的位元組數大小
  BYTE   bDescriptorType;   //描述符類型編號，為0x02
  WORD   wTotalLength;   //配置所返回的所有數量的大小
  BYTE   bNumInterface;  //此配置所支持的介面數量
  BYTE   bConfigurationVale;   //Set_Configuration命令需要的參數值
  BYTE   iConfiguration;  //描述該配置的字元串的索引值
  BYTE  bmAttribute;  //供電模式的選擇
  BYTE   MaxPower;   //設備從匯流排提取的最大電流

}

字元描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT

{
    BYTE bLength; //字元串描述符的位元組數大小
    BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x03
    BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE編碼的字元串
}

介面描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT

{

    BYTE bLength; //介面描述符的位元組數大小
    
    BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x04
    
    BYTE bInterfaceNunber; //介面的編號
    
    BYTE bAlternateSetting;//備用的介面描述符編號
    
    BYTE bNumEndpoints; //該介面使用端點數，不包括端點0
    
    BYTE bInterfaceClass; //介面類型 HID設備此值為0x03
    
    BYTE bInterfaceSubClass;//介面子類型 HID設備此值為0或者1
    
    BYTE bInterfaceProtocol;//介面所遵循的協議
    
    BYTE iInterface; //描述該介面的字元串索引值

}

端點描述符

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT

{

    BYTE bLength; //端點描述符的位元組數大小
    
    BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x05
    
    BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性
    
    BYTE bmAttribute; //端點的傳輸類型屬性
    
    WORD wMaxPacketSize; //端點收、發的最大包的大小
    
    BYTE bInterval; //主機查詢端點的時間間隔

}

HID設備描述符

溫習了以上內容，我們再來看看HID協議與這些描述符之間的關係。

當插入USB設備後，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規範。

從框圖中，可以看出除了USB標准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描述符是關聯於介面（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。

• 設備描述符中：bDeviceClass, bDeviceSubClass, bDeviceProtocol三個值必須為0

• 介面描述符中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啟動時能識別並使用您的HID設備，且只有標準滑鼠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後才能識別並使用您的HID設備）。

USB HID類描述符的結構

報告描述符

報告描述符比較複雜，它是以item形式排列組合而成，無固定長途，用戶可以自定義長度以及每一bit的含義。item類型分三種：main，global和local，其中main類型又可分為5種tag：

• input item tag：指的是從設備的一個或多個類似控制管道得到的數據
• output item tag：指的是發送給一個或多個類似控制管道的數據
• feature item tag：表示設備的輸入輸出不面向最終用戶
• collection item tag：一個有意義的input，output和feature的組合項目
• end collection item tag：指定一個collectionitem的終止

每一個main item tag（input，output，feature）都表明瞭來自一個特定管道的數據的大小，數據相對還是獨立，以及其他相關信息。在此之前，global和local item定義了數據的最大值和最小值，等等。local item僅僅描述下一個main item定義的數據域，而global item是這一個報告描述符中所有後續數據段的預設屬性。

一個報告描述符可能包含多個main item，為了準確描述來自一個控制管道的數據，一個報告描述符必須包括以下內容：

• 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的數據格式有兩種，分別是短item和長item。

短item格式

長item，其bType位值為3，bTag值為F

物理描述符

物理描述符被用來描述設備的行為特性，物理描述符是可選的，HID設備可以根據其本體的設備特性選擇是否包含物理描述符。下表是HID的物理描述符結構。

HID物理描述符的結構

物理描述符用來描述行為特性，是可選的。

bDesignator取值含義表

Qualifier取值含義

USB HID類可採用的通信管道

所有的HID設備通過USB的控制管道（預設管道，即端點0）和中斷管道與主機通信。

控制管道主要用於以下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

中斷管道主要用於以下兩個方面：

• USB主機接收USB設備的非同步傳輸數據

• 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。

表1、USB HID規範定義的HID設備可用端點

HID設備6種特定請求

HID類請求（命令）包格式

HID類請求

GET_REPORT：主機通過控制端點獲取一個Report

SET_REPORT：主機發送一個Report給設備，用以設置input，output或者feature

GET_IDLE

SET_IDLE

GET_PROTOCOL

SET_PROTOCOL