在Java应用技术程序中访问USB设备.docx

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在Java应用技术程序中访问USB设备

在Java应用程序中访问USB设备

在本文通过提供使Java应用程序可以使用USB设备的API而使这个过程变得更容易.

　　Java平台一直都以其平台无关性自豪。

虽然这种无关性有许多好处，但是它也使得编写与硬件交互的Java应用程序的过程变得相当复杂。

在本文中，研究科学家蒋清野讨论了两个工程，它们通过提供使Java应用程序可以使用USB设备的API而使这个过程变得更容易。

虽然这两个工程仍然处于萌芽状态，但是它们都显示了良好的前景，并已经成为一些实用应用程序的基础。

　　通用串行总线（UniversalSerialBusUSB）规范的第一个版本发表于1996年1月。

因为它的低成本、高数据传输率、使用容易和灵活性，USB在计算机行业里获得了广泛接受。

今天，许多周边设备和装置都是通过USB接口连接到计算机上的。

目前，大多数一般用途的操作系统都提供了对USB设备的支持，并且用C或者C++可以相对容易地开发访问这些外设的应用程序。

不过，Java编程语言在设计上对硬件访问提供的支持很少，所以编写与USB设备交互的应用程序是相当困难的。

　　IBM的DanStreetman最早开始了在Java语言中提供对USB设备的访问的努力。

2001年，他的工程通过Java规范请求（JavaSpecificationRequest，JSR）过程被接受为Java语言的候选扩展标准。

这个工程现在称为JSR-80并且指定了官方包javax.usb。

同时，在2000年6月，MojoJojo和DavidBrownell在SourceForge开始了jUSB工程。

这两个工程都开发出了Linux开发人员可以使用的包，尽管它们都还很不完善。

这两个工程也都开始试图向其他操作系统上的Java应用程序提供对USB设备的访问，尽管它们都还没有开发出可以使用的包（参阅参考资料中有关本文中讨论的这两个工程及其他工程的资料）。

　　在本文中，将对jUSB和JSR-80工程作一个简要介绍，不过，我们首先要看一下USB协议的具体细节，这样您就可以理解这两个工程是如何与USB设备交互的。

我们还将提供代码片段以展示如何用这两个工程的API访问USB设备。

USB介绍

　　1994年，一个由四个行业伙伴（Compaq、Intel、Microsoft和NEC）组成的联盟开始制定USB协议。

该协议最初的目的是将PC与电话相连并提供容易扩展和重新配置的I/O接口。

1996年1月，发表了USB规范的第一个版本，1998年9月发表了后续版本（版本1.1）。

这个规范允许127台设备同时连接到一起，总的通信带宽限制为12Mbps。

后来，又有三个成员（Hewlett-Packard、Lucent和Philips）加入了这个联盟。

2000年4月，发表了USB规范的2.0版本，它支持高达480Mbps的传输率。

今天，USB在高速（视频、图像、储存）和全速（音频、宽带、麦克风）数据传输应用中起了关键作用。

它还使各种低速设备（键盘、鼠标、游戏外设、虚拟现实外设）连接到PC上。

　　USB协议有严格的层次结构。

在所有USB系统中，只有一个主设备，到主计算机的的USB接口称为主控器（hostcontroller）。

主控器有两个标准?

?

开放主控器接口（Compaq的OpenHostControllerInterface，OHCI）和通用主控器接口（Intel的UniversalHostControllerInterface，UHCI）。

这两个标准提供了同样的能力，并可用于所有的USB设备，UHCI的硬件实现更简单一些，但是需要更复杂的设备驱动程序（因而CPU的负荷更大一些）。

　　USB物理互连是分层的星形拓朴，最多有七层。

一个hub是每个星形的中心，USB主机被认为是roothub。

每一段连线都是hub与USB设备的点对点连接，后者可以是为系统提供更多附加点的另一个hub，也可以是一个提供功能的某种设备。

主机使用主/从协议与USB设备通信。

这种方式解决了包冲突的问题，但是同时也阻止了附加的设备彼此建立直接通信。

　　所有传输的数据都是由主控器发起的。

数据从主机流向设备称为下行（downstream）或者输出（out）传输，数据从设备流向主机称为上行（upstream）或者输入（in）传输。

数据传输发生在主机和USB设备上特定的端点（endpoint）之间，主机与端点之间的数据链接称为管道（pipe）。

一个给定的USB设备可以有许多个端点，主机与设备之间数据管道的数量与该设备上端点的数量相同。

一个管道可以是单向或者是双向的，一个管道中的数据流与所有其他管道中的数据流无关。

　　USB网络中的通信可以使用下面四种数据传输类型中的任意一种：

　　控制传输：

这些是一些短的数据包，用于设备控制和配置，特别是在设备附加到主机上时。

　　批量传输：

这些是数量相对大的数据包。

像扫描仪或者SCSI适配器这样的设备使用这种传输类型。

　　中断传输：

这些是定期轮询的数据包。

主控器会以特定的间隔自动发出一个中断。

　　等时传输：

这些是实时的数据流，它们对带宽的要求高于可靠性要求。

音频和视频设备一般使用这种传输类型。

　　像串行端口一样，计算机上每一个USB端口都由USB控制器指定了一个惟一的标识数字（端口ID）。

当USB设备附加到USB端口上时，就将这个惟一端口ID分配给这台设备，并且USB控制器会读取设备描述符。

设备描述符包括适用于该设备的全局信息、以及设备的配置信息。

配置定义了一台USB设备的功能和I/O行为。

一台USB设备可以有一个或者多个配置，这由它们相应的配置描述符所描述。

每一个配置都有一个或者多个接口，它可以视为一个物理通信渠道；每一个接口有零个或者多个端点，它可以是数据提供者或者数据消费者，或者同时具有这两种身份。

接口由接口描述符描述，端点由端点描述符描述。

并且一台USB设备可能还有字符串描述符以提供像厂商名、设备名或者序列号这样的附加信息。

　　正如您所看到的，像USB这样的协议为使用Java这种强调平台和硬件无关性的语言的开发人员提出了挑战。

现在让我们看两个试图解决这个问题的工程。

　　jUSBAPI

　　jUSB工程是由MojoJojo和DavidBrownell于2000年6月创立的。

其目标是提供一组免费的、在Linux平台上访问USB设备的JavaAPI。

这个API是按照LesserGPL（LGPL）条款发表的，这意味着您可以在专有和免费软件工程中使用它。

这个API提供了对多个物理USB设备的多线程访问，并支持本机和远程设备。

具有多个接口的设备可以同时被多个应用程序（或者设备驱动程序）所访问，其中每一个应用程序（或者设备驱动程序）都占据一个不同的接口。

该API支持控制传输、批量传输和中断传输，不支持等时传输，因为等时传输用于媒体数据（如音频和视频），JMFAPI已经在其他标准设备驱动程序上对此提供了很好的支持（参阅参考资料）。

当前，该API可以在具有Linux2.4核心或者以前的2.2.18核心的GNU/Linux版本上工作。

因此可支持大多数最新的版本，例如，该API可以在没有任何补丁或者升级的RedHat7.2和9.0上工作。

　　jUSBAPI包括以下包：

　　·usb.core:

这个包是jUSBAPI的核心部分。

它使得Java应用程序可以从USB主机访问USB设备。

　　·usb.linux:

这个包包含usb.core.Host对象的Linux实现、bootstrapping支持和其他可以提升LinuxUSB支持的类。

这个实现通过虚拟USB文件系统（usbdevfs）访问USB设备。

　　·usb.windows:

这个包包含usb.core.Host对象的Windows实现、bootstrapping支持和其他可以提升WindowsUSB支持的类。

这个实现仍然处于非常初级的阶段。

　　·usb.remote:

这个包是usb.coreAPI的远程版本。

它包括一个RMIproxy和一个daemon应用程序，它让Java应用程序可以访问远程计算机上的USB设备。

　　·usb.util:

这个包提供了一些有用的实用程序，可以将firmware下载到USB设备上、将USB系统的内容转储到XML中、以及将只有bulkI/O的USB设备工具转换成一个套接字（socket）。

　　·usb.devices:

这个可选包收集了用jUSBAPI访问不同USB设备的Java代码，包括柯达数码相机和Rio500MP3播放器。

这些API经过特别编写以简化访问特定USB设备的过程，并且不能用于访问其他设备。

这些API是在usb.coreAPI之上构建的，它们可以工作在所有支持jUSB的操作系统上。

　　·usb.view:

这个可选包提供了基于Swing的USB树简单浏览器。

它是一个展示jUSBAPI应用的很好的示例程序。

　　尽管usb.core.Host对象的实现对于不同的操作系统是不同的，但是Java程序员只需要理解usb.core包就可以用jUSBAPI开始应用程序的开发。

表1列出了usb.core的接口和类，Java程序员应该熟悉它们：

表1.jUSB中的接口和类

接口/类

说明

Bus

将一组USB设备连接到Host上

Host

表示具有一个或者多个Bus的USB控制器

Configuration

提供对设备所支持的USB配置的访问，以及对与该配置关联的接口的访问

Descriptor

具有USB类型的描述符的实体的基类

Device

提供对USB设备的访问

DeviceDescriptor

提供对USB设备描述符的访问

EndPoint

提供对USB端点描述符的访问、在给定设备配置中构造设备数据输入或者输出

HostFactory

包含bootstrapping方法

Hub

提供对USBhub描述符以及一些hub操作的访问

Interface

描述一组端点，并与一个特定设备配置相关联

PortIdentifier

为USB设备提供稳定的字符串标识符，以便在操作和故障诊断时使用

用jUSBAPI访问一台USB设备的正常过程如下：

　　·通过从HostFactory得到USBHost进行Bootstrap。

　　·从Host访问USBBus，然后从这个Bus访问USBroothub（即USBDevice）。

　　·得到hub上可用的USB端口数量，遍历所有端口以找到正确的Device。

　　·访问附加到特定端口上的USBDevice。

可以用一台Device的PortIdentifier直接从Host访问它，也可以通过从roothub开始遍历USBBus找到它。

　　·用ControlMessage与该Device直接交互，或者从该Device的当前Configuration中要求一个Interface，并与该Interface上可用的Endpoint进行I/O。

　　清单1展示了如何用jUSBAPI获得USB系统中的内容。

这个程序编写为只是查看roothub上可用的USB设备，但是很容易将它改为遍历整个USB树。

这里的逻辑对应于上述步骤1到步骤4。

　　清单1.用jUSBAPI获得USB系统的内容

　　importusb.core.*。

　　publicclassListUSB

　　{

　　publicstaticvoidmain（String[]args）

　　{

　　try

　　{

　　//BootstrapbygettingtheUSBHostfromtheHostFactory.

　　Hosthost=HostFactory.getHost（）。

　　//ObtainalistoftheUSBbusesavailableontheHost.

　　Bus[]bus=host.getBusses（）。

　　inttotal_bus=bus.length。

　　//TraversethroughalltheUSBbuses.

　　for（inti=0。

i<>

　　{

　　//AccesstheroothubontheUSBbusandobtainthe

　　//numberofUSBportsavailableontheroothub.

　　Deviceroot=bus[i].getRootHub（）。

　　inttotal_port=root.getNumPorts（）。

　　//TraversethroughalltheUSBportsavailableonthe

　　//roothub.Itshouldbementionedthatthenumbering

　　//startsfrom1,not0.

　　for（intj=1。

j<=total_port。

j++）

　　{

　　//ObtaintheDeviceconnectedtotheport.

　　Devicedevice=root.getChild（j）。

　　if（device!

=null）

　　{

　　//USBdeviceavailable,dosomethinghere.

　　}

　　}

　　}

　　}catch（Exceptione）

　　{

　　System.out.println（e.getMessage（））。

　　}

　　}

　　清单2展示了在应用程序成功地找到了Device的条件下，如何与Interface和EndPoint进行批量I/O。

这个代码段也可以修改为执行控制或者中断I/O。

它对应于上述步骤5。

　　清单2.用jUSBAPI执行批量I/O

　　if（device!

=null）

　　{

　　//ObtainthecurrentConfigurationofthedeviceandthenumberof

　　//InterfacesavailableunderthecurrentConfiguration.

　　Configurationconfig=device.getConfiguration（）。

　　inttotal_interface=config.getNumInterfaces（）。

　　//TraversethroughtheInterfaces

　　for（intk=0。

k<>

　　{

　　//AccessthecurrentlyInterfaceandobtainthenumberof

　　//endpointsavailableontheInterface.

　　Interfaceitf=config.getInterface（k,0）。

　　inttotal_ep=itf.getNumEndpoints（）。

　　//Traversethroughalltheendpoints.

　　for（intl=0。

l<>

　　{

　　//Accesstheendpoint,andobtainitsI/Otype.

　　Endpointep=itf.getEndpoint（l）。

　　Stringio_type=ep.getType（）。

　　booleaninput=ep.isInput（）。

　　//Iftheendpointisaninputendpoint,obtainits

　　//InputStreamandreadindata.

　　if（input）

　　{

　　InputStreamin。

　　in=ep.getInputStream（）。

　　//Readindatahere

　　in.close（）。

　　}

　　//IftheEndpointisandoutputEndpoint,obtainits

　　//OutputStreamandwriteoutdata.

　　else

　　{

　　OutputStreamout。

　　out=ep.getOutputStream（）。

　　//Writeoutdatahere.

　　out.close（）。

　　}

　　}

　　}

　　}

jUSB工程在2000年6月到2001年2月期间非常活跃。

该API的最新的版本0.4.4发表于2001年2月14日。

从那以后只提出了很少的改进，原因可能是IBM小组成功地成为了Java语言的候选扩展标准。

不过，基于jUSB已经开发出一些第三方应用程序，包括JPhoto工程（这是一个用jUSB连接到数码照相机的应用程序）和jSyncManager工程（这是一个用jUSB与使用Palm操作系统的PDA同步的应用程序）。

　　JSR-80API（javax.usb）

　　正如前面提到的，JSR-80工程是由IBM的DanStreetman于1999年创立的。

2001年，这个工程通过Java规范请求（JSR）过程被接受为Java语言的候选扩展标准。

这个工程现在称为JSR-80并且被正式分派了Java包javax.usb。

这个工程使用CommonPublicLicense的许可证形式，并通过JavaCommunityProcess进行开发。

这个工程的目标是为Java平台开发一个USB接口，可以从任何Java应用程序中完全访问USB系统。

JSR-80API支持USB规范所定义的全部四种传输类型。

目前，该API的Linux实现可以在支持2.4核心的大多数最新GNU/Linux版本上工作，如RedHat7.2和9.0。

　　JSR-80工程包括三个包：

javax-usb（javax.usbAPI）、javax-usb-ri（操作系统无关的基准实现的公共部分）以及javax-usb-ri-linux（Linux平台的基准实现，它将公共基准实现链接到LinuxUSB堆栈）。

所有这三个部分都是构成Linux平台上java.usbAPI完整功能所必需的。

在该工程的电子邮件列表中可以看到有人正在致力于将这个API移植到其他操作系统上（主要是MicrosoftWindows），但是还没有可以工作的版本发表。

　　尽管JSR-80API的操作系统无关的实现在不同的操作系统上是不同的，但是Java程序员只需要理解javax.usb包就可以开始开发应用程序了。

表2列出了javax.usb中的接口和类，Java程序员应该熟悉它们：

表2.JSR-80API中的接口和类

接口/类

说明

UsbConfiguration

表示USB设备的配置

UsbConfigurationDescriptor

USB配置描述符的接口

UsbDeviceUSB

设备的接口

UsbDeviceDescriptorUSB

设备描述符的接口

UsbEndpointUSB

端点的接口

UsbEndpointDescriptorUSB

端点描述符的接口

UsbHub

USBhub的接口

UsbInterface

USB接口的接口

UsbInterfaceDescriptor

USB接口描述符的接口

UsbPipeUSB

管道的接口

UsbPortUSB

端口的接口

UsbServices

javax.usb实现的接口

UsbHostManager

javax.usb的入口点

　　用JSR-80API访问USB设备的正常过程如下：

　　·通过从UsbHostManager得到相应的UsbServices进行Bootstrap。

　　·通过UsbServices访问roothub。

在应用程序中roothub就是一个UsbHub。

　　·获得连接到roothub的UsbDevices清单。

遍历所有低级hub以找到正确的UsbDevice。

　　·用控制消息（UsbControlIrp）与UsbDevice直接交互，或者从UsbDevice的相应UsbConfiguration中要求一个UsbInterface并与该UsbInterface上可用的UsbEndpoint进行I/O。

　　·如果一个UsbEndpoint用于进行I/O，那么打开与它关联的UsbPipe。

通过这个UsbPipe可以同步或者异步提交上行数据（从USB设备到主计算机）和下行数据（从主计算机到USB设备）。

　　·当应用程序不再需要访问该UsbDevice时，关闭这个UsbPipe并释放相应的UsbInterface。

　　在清单3中，我们用JSR-80API获得USB系统的内容。

这个程序递归地遍历USB系统上的所有USBhub并找出连接到主机计算机上的所有USB设备。

这段代码对应于上述步骤1到步骤3。

　　清单3.用JSR-80API获得USB系统的内容

　　importjavax.usb.*。

　　importjava.util.List。

　　publicclassTraverseUSB

　　{

　　publicstaticvoidmain（Stringargv[]）

　　{

　　try

　　{

　　//AccessthesystemUSBservices,andaccesstotheroot

　　//hub.Thentraversethroughtheroothub.

　　UsbServicesservices=UsbHostManager.getUsbServices（）。

　　UsbHubrootHub=services.getRootUsbHub（）。

　　traverse（rootHub）。

　　}ca