USB HID介绍

水深无声 2022-08-08 12:59 51阅读 0赞

本文转自：http://blog.csdn.net/leo\_wonty/article/details/6721214

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。

![0_13143288015H7B.gif][]

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）。

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="5"> USB HID类描述符的结构 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 偏移量 </td> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 大小 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0 </td> 
 <td> bLength </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 此描述符的长度（以字节为单位） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 1 </td> 
 <td> bDescriptorType </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 常量 </td> 
 <td> 描述符种类（此处为0x21即HID类描述符） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 2 </td> 
 <td> bcdHID </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 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 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 4 </td> 
 <td> bCountryCode </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 硬件目的国家的识别码（BCD码）（见表3） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 5 </td> 
 <td> bNumDescritors </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 支持的附属描述符数目 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 6 </td> 
 <td> bDescriptorType </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 常量 </td> 
 <td> 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 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 7 </td> 
 <td> wDescriptorLength </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 报告描述符总长度 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 9 </td> 
 <td> bDescriptorType </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 常量 </td> 
 <td> 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 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 10 </td> 
 <td> wDescriptorLength </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 数字 </td> 
 <td> 描述符总长度，使用在有一个以上描述符的设备 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**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

![0_1331866966lF93.gif][]

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>bSize</td> 
 <td> 0：0个字节 1：1个字节 2：2个字节 3：4个字节 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>bType</td> 
 <td> 0：main 1：global 2：local 3：保留 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>bTag</td> 
 <td> item类型 8：input 9：output A：collection B：feature C：end collection </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

长item，其bType位值为3，bTag值为F

![0_1331867493ZQxk.gif][]

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>bDataSize</td> 
 <td> 0：0个字节 1：1个字节 2：2个字节 3：4个字节 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>bLongItemTag</td> 
 <td> 0：main 1：global 2：local 3：保留 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>data</td> 
 <td>数据</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="3"> 表1、USB HID规范定义的HID设备可用端点 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 管道 </td> 
 <td> 要求 </td> 
 <td> 说明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 控制(端点0) </td> 
 <td> 必须 </td> 
 <td> 传输USB描述符、类请求代码以及供查询的消息数据等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 中断输入 </td> 
 <td> 必须 </td> 
 <td> 传输从设备到主机的输入数据 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 中断输出 </td> 
 <td> 可选 </td> 
 <td> 传输从主机到设备的输出数据 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**HID设备6种特定请求**

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="4"> HID类请求（命令）包格式 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 偏移量 </td> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 大小 </td> 
 <td> 说明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0 </td> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 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 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 1 </td> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> HID类请求（参考下表） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 2 </td> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 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。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 4 </td> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 2字节数值，根据不同的bRequest有不同的意义 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 6 </td> 
 <td> wLength </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 该请求的数据段长度 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="3"> HID类请求 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 数值 </td> 
 <td> HID类请求描述符 </td> 
 <td> 注释 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x01 </td> 
 <td> GET_REPORT </td> 
 <td> &nbsp;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； </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x02 </td> 
 <td> GET_IDLE </td> 
 <td> &nbsp;主机读取设备当前的空闲速率，设备可以不支持此请求； </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x03 </td> 
 <td> GET_PROTOCOL </td> 
 <td> 仅仅适应于支持启动功能的HID设备（Boot Device） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x09 </td> 
 <td> SET_REPORT </td> 
 <td> &nbsp;设备用控制传输接收主机的数据，设备可以不支持此请求； </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x0A </td> 
 <td> SET_IDLE </td> 
 <td> &nbsp;设置闲置状态，设备可不支持此请求； </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0x0B </td> 
 <td> SET_PROTOCOL </td> 
 <td> 仅仅适应于支持启动功能的HID设备（Boot Device） </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

GET\_REPORT：主机通过控制端点获取一个Report

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0xA1 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x01 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 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 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> Report长度 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> Report内容 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0x21 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x09 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 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 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> Report长度 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> Report内容 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

GET\_IDLE

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0xA1 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x02 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 高字节0 低字节表示ReportID，如不使用设为0 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> 空闲速率 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

SET\_IDLE

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0x21 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x0A </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 新的速率 低字节表示ReportID，如不使用设为0 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> 0 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> 无 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

GET\_PROTOCOL

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0xA1 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x03 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 0 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> 0 = Boot Protocol 1 = Report Protocol </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

SET\_PROTOCOL

<table style="color:rgb(51,51,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 域 </td> 
 <td> 值 </td> 
 <td> 描述 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmRequestType </td> 
 <td> 0x21 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bRequest </td> 
 <td> 0x0B </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wValue </td> 
 <td> 0 = Boot Protocol 1 = Report Protocol </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wIndex </td> 
 <td> HID的interface索引值 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> wLength </td> 
 <td> 0 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Data </td> 
 <td> 无 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

[0_13143288015H7B.gif]: /images/20220805/e64912ca011f437ca80b67d4d14c3dc8.png
[0_1331866966lF93.gif]: /images/20220805/022fd2493f754961bdabb939379c98ca.png
[0_1331867493ZQxk.gif]: /images/20220805/44ac055a564f460abb1eb107311c59dc.png