基于HID類的USB人機(jī)接口設(shè)計(jì)

摘要 USB設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性給開發(fā)人員帶來了很大的開發(fā)難度。本文給出一種采用C8051F120微控制器和PDIUSBD12 USB控制器結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口設(shè)備(Human Interface Devices)的方法，以及如何編寫應(yīng)用程序來對(duì)它進(jìn)行訪問。此設(shè)備無需編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，Windows系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別。
關(guān)鍵詞 HID 人機(jī)接口設(shè)備 USB 描述符 中斷傳輸 報(bào)告

　　目前市場(chǎng)上USB設(shè)備的種類繁多，但是這些設(shè)備會(huì)有一些共同的特性，根據(jù)這些特性可以把USB設(shè)備劃分為不同的類，如顯示設(shè)備、通信設(shè)備、音頻設(shè)備、大容量存儲(chǔ)設(shè)備、人機(jī)接口設(shè)備（HID）。這里介紹如何實(shí)現(xiàn)HID類設(shè)備，以及如何在應(yīng)用程序中對(duì)HID類設(shè)備進(jìn)行訪問。從Windows98操作系統(tǒng)開始，為HID類設(shè)備提供了通用的驅(qū)動(dòng)程序，所以只要按照HID設(shè)備類的規(guī)范編寫設(shè)備的固件程序，就能夠讓W(xué)indows系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，省去了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序編寫過程。

1  HID協(xié)議簡(jiǎn)介

　　人機(jī)接口設(shè)備（HID）主要是指一些人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、游戲桿等；但是HID設(shè)備不一定非要是這些人機(jī)交互設(shè)備，只要符合HID設(shè)備級(jí)定義規(guī)范要求的都可以認(rèn)為是HID設(shè)備。HID設(shè)備有以下主要特點(diǎn)：

　?、? 交換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在報(bào)告的結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)備必須支持HID報(bào)告格式。
　?、?nbsp; 每筆事務(wù)可以攜帶小量或中量的數(shù)據(jù)。低速設(shè)備每筆事務(wù)最大為8字節(jié)，全速設(shè)備每筆最大為64字節(jié)，高速設(shè)備最大為1 024字節(jié)；
　?、?nbsp; 有最大傳輸速度的限制。低速設(shè)備最快10 ms一筆事務(wù)，最高速度為800 B/s；全速設(shè)備最快1 ms一筆事務(wù)，最高速度為64 KB/s；高速設(shè)備最快125 μs一筆事務(wù)，最高速度為24.576 MB/s。
　?、?nbsp; 沒有傳輸速度的保證。

　　當(dāng)插入U(xiǎn)SB設(shè)備后，主機(jī)會(huì)向設(shè)備請(qǐng)求各種描述符來識(shí)別設(shè)備。為了把一個(gè)設(shè)備識(shí)別為HID類別，設(shè)備在定義描述符的時(shí)候必須遵守HID規(guī)范。圖1顯示了HID各種描述符之間的關(guān)系。事實(shí)上，每個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)接口描述符來實(shí)現(xiàn)多接口設(shè)備，而且每個(gè)接口描述符下應(yīng)該有多個(gè)端點(diǎn)描述符。

圖1  HID各種描述符之間的關(guān)系

　　從圖1中可以看出，除了USB標(biāo)準(zhǔn)定義的一些描述符外，HID設(shè)備還必須定義HID描述符。另外設(shè)備和主機(jī)的通信是通過報(bào)告的形式來實(shí)現(xiàn)的，所以還必須定義報(bào)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(guān)聯(lián)于接口（而不是端點(diǎn)）的，所以設(shè)備不需要為每個(gè)端點(diǎn)都提供一個(gè)HID描述符。

　　USB設(shè)備有4種傳輸方式與主機(jī)進(jìn)行通信： 控制方式、中斷方式、批量方式和同步方式。每種方式都有它的應(yīng)用領(lǐng)域。HID只支持控制和中斷傳輸方式。如圖2所示，HID設(shè)備必須要有默認(rèn)的控制管道和一個(gè)中斷輸入端點(diǎn)；中斷輸出端點(diǎn)是可選的。

圖2  HID類設(shè)備使用控制和中斷傳輸方式

　　中斷輸出傳輸是USB1.1規(guī)范才有的內(nèi)容，且必須獲得Windows系統(tǒng)的支持。從Windows98 SE版本開始才支持中斷輸出傳輸方式，所以如果需要中斷輸出傳輸方式的設(shè)備應(yīng)該選擇相應(yīng)的操作系統(tǒng)。表1列出了傳輸類型和相關(guān)情況。

表1  HID類設(shè)備支持的傳輸方式傳輸

　　USB協(xié)議定義了11種請(qǐng)求命令，通過這些請(qǐng)求來獲得設(shè)備的信息及對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。HID類設(shè)備除了要支持這11種標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)求外，還要實(shí)現(xiàn)以下6種特定請(qǐng)求：

　?、?nbsp; Get_Report——主機(jī)用控制傳輸從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，所有HID類設(shè)備都要支持這個(gè)請(qǐng)求；
　　②  Set_Report——設(shè)備用控制傳輸接收主機(jī)的數(shù)據(jù)，設(shè)備可以不支持此請(qǐng)求；
　?、?nbsp; Get_Idle——主機(jī)讀取設(shè)備當(dāng)前的空閑速率，設(shè)備可以不支持此請(qǐng)求；
　　④  Set_Idle——設(shè)置閑置狀態(tài)，設(shè)備可不支持此請(qǐng)求；
　?、?nbsp; Get_Protocol——主機(jī)獲得設(shè)備的當(dāng)前活動(dòng)是引導(dǎo)協(xié)議還是報(bào)告協(xié)議；
　　⑥  Set_Protocol——在引導(dǎo)協(xié)議和報(bào)告協(xié)議間切換，設(shè)備如果支持系統(tǒng)引導(dǎo)（如鍵盤和鼠標(biāo)），就必須支持Get_Protocol和Set_Protocol請(qǐng)求。

2  HID接口固件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該設(shè)備采用C8051F120微控制器和PDIUSBD12芯片來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3  HID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　因?yàn)镻DIUSBD12的主端點(diǎn)（Endpoint2）具有64字節(jié)的雙緩沖，能夠提供比較高的速度，所以在端點(diǎn)描述符里把它配置為中斷傳輸方式，而Endpoint1沒有使用。PDIUSBD12通過中斷觸發(fā)CPU來響應(yīng)主機(jī)的各種請(qǐng)求。

　　此系統(tǒng)采用的USB協(xié)議版本是1.1，所以能夠支持中斷輸出傳輸。為了讓主機(jī)把設(shè)備識(shí)別為HID類別，定義設(shè)備接口描述符時(shí)類別這一字段的值必須設(shè)置為0x03（HID類別），這樣主機(jī)就會(huì)繼續(xù)請(qǐng)求獲得設(shè)備的HID描述符和報(bào)告描述符。在主機(jī)Get_Descriptor請(qǐng)求中，當(dāng)值字段的高位字節(jié)為0x21時(shí)，表示主機(jī)要求獲得HID描述符；當(dāng)值字段高字節(jié)為0x22時(shí)，就是主機(jī)要求獲得報(bào)告描述符。對(duì)于報(bào)告描述符，可以參考HID Usage Tables規(guī)范。HID Descriptor Tool工具可以幫助建立和測(cè)試編寫的報(bào)告描述符。這里定義了一個(gè)輸入和輸出64字節(jié)數(shù)據(jù)的報(bào)告描述符。

code unsigned char szReport[] = {
　　0x06,0xA0,0xFF,//用法頁(FFA0h, vendor defined)
　　0x09, 0x01,//用法(vendor defined)
　　0xA1, 0x01,//集合(Application)
　　0x09, 0x02 ,//用法(vendor defined)
　　0xA1, 0x00,//集合(Physical)
　　0x06,0xA1,0xFF,//用法頁(vendor defined)
//輸入報(bào)告
　　0x09, 0x03 ,//用法(vendor defined)
　　0x09, 0x04,//用法(vendor defined)
　　0x15, 0x80,//邏輯最小值(0x80 or -128)
　　0x25, 0x7F,//邏輯最大值(0x7F or 127)
　　0x35, 0x00,//物理最小值(0)
　　0x45,0xFF,//物理最大值(255)
　　0x75, 0x08,//報(bào)告長(zhǎng)度Report size (8位)
　　0x95, 0x40,//報(bào)告數(shù)值(64 fields)
　　0x81, 0x02,//輸入(data, variable, absolute)
//輸出報(bào)告
　　0x09, 0x05,//用法(vendor defined)
　　0x09, 0x06,//用法(vendor defined)
　　0x15, 0x80,//邏輯最小值(0x80 or -128)
　　0x25, 0x7F,//邏輯最大值(0x7F or 127)
　　0x35, 0x00,//物理最小值(0)
　　0x45,0xFF,//物理最大值(255)
　　0x75,0x08,//報(bào)告長(zhǎng)度(8位)
　　0x95, 0x40,//報(bào)告數(shù)值(64 fields)
　　0x91, 0x02,//輸出(data, variable, absolute)
　　0xC0,//集合結(jié)束(Physical)
　　0xC0//集合結(jié)束(Application)
};

　　這樣，后面數(shù)據(jù)的輸入和輸出都必須滿足報(bào)告的格式才能夠進(jìn)行傳輸。

圖4  應(yīng)用程序枚舉HID設(shè)備流程

3  應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　Windows為應(yīng)用程序訪問HID設(shè)備提供了強(qiáng)大的支持，有一整套對(duì)HID設(shè)備進(jìn)行訪問的API。應(yīng)用程序要訪問設(shè)備就必須先枚舉到設(shè)備，圖4為應(yīng)用程序枚舉HID設(shè)備流程。

　　枚舉成功后根據(jù)返回的設(shè)備句柄，就可以用ReadFile和WriteFile來讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù)了。這里采用異步方式來讀寫數(shù)據(jù)，這樣不會(huì)發(fā)生讀寫時(shí)阻塞，提高了程序的效率。以下是異步方式讀寫設(shè)備的要點(diǎn)：

　　①  為了實(shí)現(xiàn)異步訪問設(shè)備，在CreateFile打開設(shè)備時(shí)必須使用FILE_FLAG_OVERLAPPED標(biāo)志。
　?、? 打開設(shè)備成功后，使用CreateThread建立1個(gè)讀設(shè)備線程。
　　③  在這個(gè)線程中首先建立1個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，并用CreateEvent函數(shù)初始化它的hEvent成員，這樣就創(chuàng)建了1個(gè)事件對(duì)象。
　?、?nbsp; 調(diào)用ReadFile函數(shù)，并傳入這個(gè)結(jié)構(gòu)。
　?、?nbsp; 調(diào)用ReadFile后會(huì)立即返回，必須調(diào)用GetLast?Error獲得出錯(cuò)碼。 如果為ERROR_IO_PENDING， 說明此操作是在等待完成的；否則，說明調(diào)用出錯(cuò)。
　?、?nbsp; 調(diào)用WaitForSingleObject等待hEvent事件的通知，并使此線程進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果有數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，讀線程就會(huì)被激活。

　　WriteFile的使用也同樣要求異步操作，與ReadFile的使用差不多。

　　這里要注意的是，在每次讀寫數(shù)據(jù)前都要先接收和發(fā)送1字節(jié)的PID標(biāo)志，所以每次讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)候都要多一個(gè)字節(jié)。比如，這里每次讀寫的是64字節(jié)數(shù)據(jù)，但是在這64字節(jié)之前必須放1字節(jié)的PID數(shù)據(jù)，所以是65字節(jié)。一般這個(gè)字節(jié)的值為0。

4  小結(jié)

　　充分利用PDIUSBD12主端口的雙緩沖特性后，測(cè)試設(shè)備與PC間傳輸速度能達(dá)到8 KB/s以上，對(duì)于一些傳輸數(shù)據(jù)量不大，速度要求不高，而又必須在短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)的場(chǎng)合基本能夠滿足要求。在此基礎(chǔ)上只要生成不同的報(bào)告描述符，就能開發(fā)出各種不同的嵌入式設(shè)備；而且這樣的設(shè)備無需驅(qū)動(dòng)，在插入PC后就能立刻開始工作，省去了安裝驅(qū)動(dòng)程序的過程，方便使用。

參考文獻(xiàn)

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涂曉強(qiáng)(研究生)，周洪利(副教授)：主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)。