USBHID协议详情.docx
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USBHID协议详情
USBHID类设备属于人机交互操作的设备，是一个比较大的类，用于控制计算机操作的某些方面，如USB鼠标、USB键盘、USB游戏操作杆、USB触摸板、USB轨迹球、电话拨号设备、VCR遥控等等设备。
另外，使用HID设备的一个好处就是操作系统自带了HID类的驱动程序，用户无需开发很麻烦的驱动程序，只有直接使用API调用即可完成通信，所有很多简单的USB设备喜欢枚举成HID设备，这样就可以不用安装驱动而直接使用。
1、HID设备描述符
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，设备在定义描述符的时候必须遵守HID规范。
HID设备的描述符除了5个USB的标准描述符（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符）外，还包括3个HID设备类特定描述符：
HID描述符、报告描述符、物理描述符。
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。
设备和主机的通信是通过报告的形式来实现的。
而物理描述符不是必需的。
5个标准描述符中与HID设备有关的部分有：
设备描述符中bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol三个字段的值必须为0。
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设备是一个启动设备（BootDevice，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BootDevice。
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）。
HID接口描述符中bInterfaceProtocol的含义
bInterfaceProtocol的取值
含义
0
NONE
1
键盘
2
鼠标
3~255
保留
1.1HID描述符
HID描述符关联于接口描述符，因而如果一个设备只有一个接口描述符，则无论它有几个端点描述符，HID设备只有一个HID描述符。
HID设备描述符主要描述HID规范的版本号、HID设备所用的额外描述符、报告描述符的长度等。
USBHID类描述符的结构
偏移量
域
大小
描述
0
bLength
1
描述符的字节数
1
bDescriptorType
1
描述符类型，HID类描述符为0x21
2
bcdHID
2
HID版本号，如1.0版本的BCD码为0x000，版本1.1的BCD码为0x0110
4
bCountryCode
1
硬件目的国家的识别码（BCD码）
5
bNumDescrioptors
1
支持的附属描述符数目
6
bDescrioptorType
1
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
7
wDescriptorLength
2
报告描述符总长度
9
bDescriptorType
1
用于识别描述符类型的常量，使用一个以上描述符的设备
10
wDescrioptorLength
2
描述符总长度，使用一个以上描述符的设备
1.2报告描述符
HID设备的报告描述符比较复杂也比较难理解。
它以item形式排列组合而成，无固定长度，用户可以自定义长度以及每一bit的含义。
HID报告描述符已经不是简简单单地描述某个值对应某个固定意义了，它已经能够组合出很多种情况，并且需要PC上的HID驱动程序提供parser解释器来对描述的设备情形进行重新解释，进而组合生成出本HID硬件设备独特的数据流格式，所以可以把它理解为“报告描述符脚本语言”更为贴切。
我们使用“报告描述符”专用脚本语言，让用户来自己定义他们的HID设备都有什么数据以及这些数据各bit都有什么意义。
USB协会提供了一个HID描述符编辑工具HIDDescrioptorTool，用它可以方便生成报告描述符。
item类型分为三种：
main,global和local。
其中main类型又可以分为5种tag：
∙inputitemtag：
指的是从设备的一个或多个类似控制管道得到的数据
∙outputitemtag：
指的是发送给一个或多个类似控制管道的数据
∙featureitemtag：
表示设备的输入输出不面向最终用户
∙collectionitemtag：
一个有意义的input,output和feature的组合项目
∙endcollectionitemtag：
指定一个collectionitem的终止
每一个mainitemtag（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localitem定义了数据的最大值和最小值，等等。
localitem仅仅描述下一个mainitem定义的数据域，而globalitem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mainitem，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
∙usagepage
∙LogicalMinimum
∙LogicalMaximum
∙ReportSize
∙ReportCount
下面用一个三键鼠标举例说明：
UsagePage（GenericDesktop）; //globalitem
Usage（Mouse）; //globalitem
Collection（Application）; //StartMousecollection
Usage（Pointer）; //
Collection（Physical）; //StartPointercollection
UsagePage（Buttons）
UsageMinimum
（1）,
UsageMaximum（3）,
LogicalMinimum（0）,
LogicalMaximum
（1）; //Fieldsreturnvaluesfrom0to1
ReportCount（3）,
ReportSize
（1）; //Createthree1bitfields（button1,2,&3）
Input（Data,Variable,Absolute）; //Addfieldstotheinputreport.
ReportCount
（1）,
ReportSize（5）; //Create5bitconstantfield
Input（Constant）,;Addfieldtotheinputreport
UsagePage（GenericDesktop）,
Usage（X）,
Usage（Y）,
LogicalMinimum（-127）,
LogicalMaximum（127）; //Fieldsreturnvaluesfrom-127to127
ReportSize（8）,
ReportCount
（2）; //Createtwo8bitfields（X&Yposition）
Input（Data,Variable,Relative）; //Addfieldstotheinputreport
EndCollection; //ClosePointercollection
EndCollection; //CloseMousecollection
item的数据格式有两种，分别是短item和长item。
短item格式
bSize
0:
0个字节 1:
1个字节 2:
2个字节 3:
3个字节
bType
0:
main 1:
global 2:
local 3:
保留
bTag
item类型
8:
input 9:
output A:
collection B:
feature C:
endcollection
长item，其bType位值为3，bTag值为F
bDataSize
0:
0个字节 1:
1个字节 2:
2个字节 3:
3个字节
bLongItemTag
0:
main 1:
global 2:
local 3:
保留
data
数据
1.3物理描述符
物理描述符被用来描述设备的行为特性，物理描述符是可选的，HID设备可以根据其本体的设备特性选择是否包含物理描述符。
下表是HID的物理描述符结构。
HID物理描述符的结构
偏移量
域
大小
描述
0
bDesignator
1
用来指定本体的哪一部分影响项目
1
bFlags
1
位指定标志
位0~4：
Effort
位5~7：
Qualifier
bDesignator取值含义表
取值
含义
取值
含义
0x00
无
0x15
小指
0x01
手
0x16
头
0x02
眼球
0x17
肩
0x03
眉
0x18
腰骨
0x04
眼皮
0x19
腰
0x05
耳
0x1A
大腿
0x06
鼻
0x1B
膝盖
0x07
嘴
0x1C
小腿
0x08
上唇
0x1D
足
0x09
下唇
0x1E
脚
0x0A
颚
0x1F
脚跟
0x0B
颈
0x20
拇指
0x0C
上臂
0x21
大拇指
0x0D
手肘
0x22
第二指
0x0E
前臂
0x23
第三指
0x0F
手腕
0x24
第四指
0x10
手掌
0x25
小拇指
0x11
拇指
0x26
眉
0x12
食指
0x27
脸
0x13
中指
0x28~0xFF
保留
0x14
无名指
Qualifier取值含义
取值
含义
取值
含义
0x00
无
0x04
其中之一
0x01
右
0x05
中间
0x02
左
0x06
保留
0x03
同时
0x07
保留
2、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。
USBHID规范定义的HID设备可用端点
管道
要求
说明
控制（端点）
必须
传输USB描述符、类请求代码以及供查询的消息数据等
中断输入
必须
传输从设备到主机的输入数据
中断输出
可选
传输从主机到设备的输出数据
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。
3、HID设备类特定的命令（请求）
HID设备类特定的命令（请求）有6个，它们分别是Get_Report,Get_Idle,Get_Protocol,Set_Report,Set_Idle和Set_Procotol。
HID类请求（命令）数据包格式如下表所示：
HID类请求（命令）包格式
偏移量
域
大小
描述
0
bmRequestType
1
D[7]数据传输方向
0=从USBHOST到USB设备
1=从USB设备到USBHOST
D[6:
5]类型
01=请求类型为设备类请求
D[4:
0]接收端
0001=请求对象为接口
因而针对HID的设备类请求，仅仅10100001和00100001有效
1
bRequest
1
HID类请求
2
wValue
2
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
低字节非0时被用来选定物理描述符
4
wIndex
2
根据不同的bRequest有不同的意义
6
wLength
2
该请求的数据段长度
HID类请求bRequest
数值
HID类请求描述符
注释
0x01
GET_REPORT
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；
0x02
GET_IDLE
主机读取设备当前的空闲速率，设备可以不支持此请求；
0x03
GET_PROTOCOL
仅仅适应于支持启动功能的HID设备（BootDevice）
0x09
SET_REPORT
设备用控制传输接收主机的数据，设备可以不支持此请求；
0x0A
SET_IDLE
设置闲置状态，设备可不支持此请求；
0x0B
SET_PROTOCOL
仅仅适应于支持启动功能的HID设备（BootDevice）
3.1GET_REPORT
主机通过控制端点获取一个Report
域
值
bmRequestType
0xA1
bRequest
0x01
wValue
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
wIndex
HID的interface索引值
wLength
Report长度
Data
Report内容
3.2SET_REPORT
主机发送一个Report给设备，用以设置input，output或者feature
域
值
bmRequestType
0x21
bRequest
0x09
wValue
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
wIndex
HID的interface索引值
wLength
Report长度
Data
Report内容
3.3GET_IDLE
域
值
bmRequestType
0xA1
bRequest
0x02
wValue
高字节0
低字节表示ReportID，如不使用设为0
wIndex
HID的interface索引值
wLength
1
Data
空闲速率
3.4SET_IDLE
域
值
bmRequestType
0x21
bRequest
0x0A
wValue
高字节新的速率
低字节表示ReportID，如不使用设为0
wIndex
HID的interface索引值
wLength
0
Data
无
3.5GET_PROTOCOL
域
值
bmRequestType
0xA1
bRequest
0x03
wValue
0
wIndex
HID的interface索引值
wLength
1
Data
0=BootProtocol
1=ReportProtocol
3.6SET_PROTOCOL
域
值
bmRequestType
0x21
bRequest
0x0B
wValue
0=BootProtocol
1=ReportProtocol
wIndex
HID的interface索引值
wLength
0
Data
无
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