摘要 USB設備及其驅(qū)動程序的復雜性給開發(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控制器結合的方式實現(xiàn)人機接口設備(Human Interface Devices)的方法，以及如何編寫應用程序來對它進行訪問。此設備無需編寫USB設備驅(qū)動程序，Windows系統(tǒng)能夠自動識別。
關鍵詞 HID 人機接口設備 USB 描述符 中斷傳輸 報告

　　目前市場上USB設備的種類繁多，但是這些設備會有一些共同的特性，根據(jù)這些特性可以把USB設備劃分為不同的類，如顯示設備、通信設備、音頻設備、大容量存儲設備、人機接口設備（HID）。這里介紹如何實現(xiàn)HID類設備，以及如何在應用程序中對HID類設備進行訪問。從Windows98操作系統(tǒng)開始，為HID類設備提供了通用的驅(qū)動程序，所以只要按照HID設備類的規(guī)范編寫設備的固件程序，就能夠讓Windows系統(tǒng)自動識別設備，省去了復雜的驅(qū)動程序編寫過程。

1  HID協(xié)議簡介

　　人機接口設備（HID）主要是指一些人與計算機進行交互的設備，如鍵盤、鼠標、游戲桿等；但是HID設備不一定非要是這些人機交互設備，只要符合HID設備級定義規(guī)范要求的都可以認為是HID設備。HID設備有以下主要特點：

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

　　當插入USB設備后，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(guī)范。圖1顯示了HID各種描述符之間的關系。事實上，每個設備可以有多個接口描述符來實現(xiàn)多接口設備，而且每個接口描述符下應該有多個端點描述符。

圖1  HID各種描述符之間的關系

　　從圖1中可以看出，除了USB標準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(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描述符是關聯(lián)于接口（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。

　　USB設備有4種傳輸方式與主機進行通信： 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用領域。HID只支持控制和中斷傳輸方式。如圖2所示，HID設備必須要有默認的控制管道和一個中斷輸入端點；中斷輸出端點是可選的。

圖2  HID類設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備應該選擇相應的操作系統(tǒng)。表1列出了傳輸類型和相關情況。

表1  HID類設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備的信息及對設備進行設置。HID類設備除了要支持這11種標準的請求外，還要實現(xiàn)以下6種特定請求：

　?、?nbsp; Get_Report——主機用控制傳輸從設備接收數(shù)據(jù)，所有HID類設備都要支持這個請求；
　?、?nbsp; Set_Report——設備用控制傳輸接收主機的數(shù)據(jù)，設備可以不支持此請求；
　?、?nbsp; Get_Idle——主機讀取設備當前的空閑速率，設備可以不支持此請求；
　?、?nbsp; Set_Idle——設置閑置狀態(tài)，設備可不支持此請求；
　?、?nbsp; Get_Protocol——主機獲得設備的當前活動是引導協(xié)議還是報告協(xié)議；
　　⑥  Set_Protocol——在引導協(xié)議和報告協(xié)議間切換，設備如果支持系統(tǒng)引導（如鍵盤和鼠標），就必須支持Get_Protocol和Set_Protocol請求。

2  HID接口固件設計與實現(xiàn)

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

圖3  HID系統(tǒng)結構框圖

　　因為PDIUSBD12的主端點（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來響應主機的各種請求。

　　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。為了讓主機把設備識別為HID類別，定義設備接口描述符時類別這一字段的值必須設置為0x03（HID類別），這樣主機就會繼續(xù)請求獲得設備的HID描述符和報告描述符。在主機Get_Descriptor請求中，當值字段的高位字節(jié)為0x21時，表示主機要求獲得HID描述符；當值字段高字節(jié)為0x22時，就是主機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,//集合結束(Physical)
　　0xC0//集合結束(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行傳輸。

圖4  應用程序枚舉HID設備流程

3  應用程序設計實現(xiàn)

　　Windows為應用程序訪問HID設備提供了強大的支持，有一整套對HID設備進行訪問的API。應用程序要訪問設備就必須先枚舉到設備，圖4為應用程序枚舉HID設備流程。

　　枚舉成功后根據(jù)返回的設備句柄，就可以用ReadFile和WriteFile來讀寫設備的數(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備的要點：

　?、?nbsp; 為了實現(xiàn)異步訪問設備，在CreateFile打開設備時必須使用FILE_FLAG_OVERLAPPED標志。
　?、? 打開設備成功后，使用CreateThread建立1個讀設備線程。
　?、?nbsp; 在這個線程中首先建立1個OVERLAPPED結構，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。
　　④  調(diào)用ReadFile函數(shù)，并傳入這個結構。
　?、?nbsp; 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。
　?、?nbsp; 調(diào)用WaitForSingleObject等待hEvent事件的通知，并使此線程進入休眠狀態(tài)。如果有數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，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

　　充分利用PDIUSBD12主端口的雙緩沖特性后，測試設備與PC間傳輸速度能達到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)做出響應的場合基本能夠滿足要求。在此基礎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備；而且這樣的設備無需驅(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

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[5]  周立功，等. PDIUSBD12 USB固件編程與驅(qū)動程序[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社，2003.
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涂曉強(研究生)，周洪利(副教授)：主要研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)。