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)用程序來對它進(jìn)行訪問。此設(shè)備無需編寫USB設(shè)備驅(qū)動程序，Windows系統(tǒng)能夠自動識別。

　　關(guān)鍵詞 HID 人機(jī)接口設(shè)備 USB 描述符 中斷傳輸 報告

　　目前市場上USB設(shè)備的種類繁多，但是這些設(shè)備會有一些共同的特性，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)自動識別設(shè)備，省去了復(fù)雜的驅(qū)動程序編寫過程。

　　1 HID協(xié)議簡介

　　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)存儲在報告的結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)備必須支持HID報告格式。

　?、?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);

　?、?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。

　?、?沒有傳輸速度的保證。

　　當(dāng)插入USB設(shè)備后，主機(jī)會向設(shè)備請求各種描述符來識別設(shè)備。為了把一個設(shè)備識別為HID類別，設(shè)備在定義描述符的時候必須遵守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，每個設(shè)備可以有多個接口描述符來實(shí)現(xiàn)多接口設(shè)備，而且每個接口描述符下應(yīng)該有多個端點(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)的通信是通過報告的形式來實(shí)現(xiàn)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(guān)聯(lián)于接口(而不是端點(diǎn))的，所以設(shè)備不需要為每個端點(diǎn)都提供一個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種請求命令，通過這些請求來獲得設(shè)備的信息及對設(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)的請求外，還要實(shí)現(xiàn)以下6種特定請求：

　?、?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)備都要支持這個請求;

　?、?Set_Report——設(shè)備用控制傳輸接收主機(jī)的數(shù)據(jù)，設(shè)備可以不支持此請求;

　?、?Get_Idle——主機(jī)讀取設(shè)備當(dāng)前的空閑速率，設(shè)備可以不支持此請求;

　?、?Set_Idle——設(shè)置閑置狀態(tài)，設(shè)備可不支持此請求;

　　⑤ Get_Protocol——主機(jī)獲得設(shè)備的當(dāng)前活動是引導(dǎo)協(xié)議還是報告協(xié)議;

　?、?Set_Protocol——在引導(dǎo)協(xié)議和報告協(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)備識別為HID類別，定義設(shè)備接口描述符時類別這一字段的值必須設(shè)置為0x03(HID類別)，這樣主機(jī)就會繼續(xù)請求獲得設(shè)備的HID描述符和報告描述符。在主機(jī)Get_Descriptor請求中，當(dāng)值字段的高位字節(jié)為0x21時，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，就是主機(jī)要求獲得報告描述符。對于報告描述符，可以參考HID Usage Tables規(guī)范。HID Descriptor Tool工具可以幫助建立和測試編寫的報告描述符。這里定義了一個輸入和輸出64字節(jié)數(shù)據(jù)的報告描述符。

　　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,//報告長度Report size (8位)

　　0x95, 0x40,//報告數(shù)值(64 fields)

　　0x81, 0x02,//輸入(data, variable, absolute)

　　//輸出報告

　　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,//報告長度(8位)

　　0x95, 0x40,//報告數(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)，這樣不會發(fā)生讀寫時阻塞，提高了程序的效率。以下是異步方式讀寫設(shè)備的要點(diǎn)：

　?、?為了實(shí)現(xiàn)異步訪問設(shè)備，在CreateFile打開設(shè)備時必須使用FILE_FLAG_OVERLAPPED標(biāo)志。

　　② 打開設(shè)備成功后，使用CreateThread建立1個讀設(shè)備線程。

　　③ 在這個線程中首先建立1個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個事件對象。

　?、?調(diào)用ReadFile函數(shù)，并傳入這個結(jié)構(gòu)。

　?、?調(diào)用ReadFile后會立即返回，必須調(diào)用GetLastError獲得出錯碼。 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。

　?、?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)的時候都要多一個字節(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，測試設(shè)備與PC間傳輸速度能達(dá)到8 KB/s以上，對于一些傳輸數(shù)據(jù)量不大，速度要求不高，而又必須在短時間內(nèi)做出響應(yīng)的場合基本能夠滿足要求。在此基礎(chǔ)上只要生成不同的報告描述符，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，在插入PC后就能立刻開始工作，省去了安裝驅(qū)動程序的過程，方便使用。

　　參考文獻(xiàn)

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