来源:微计算机信息

摘要：USB（Universal Serial Bus）即“通用串行总线”是一种应用在计算机领域的新型接口技术。它的出现大大简化了PC机和外围设备的连接过程，使PC机接口的扩展变得更加容易。USB作为近年来计算机和嵌入式领域中的热点，推动了计算机外设的飞速发展。本文介绍了适用于PC的嵌入式操作系统的USB HID设备驱动的设计，并给出了具体的实现方法。
关键词： USB HID设备 PC 嵌入式 驱动程序

从USB 1.1到USB2.0再到目前的USB OTG(On-The-Go)，USB在不断自我完善，并走向成熟。USB具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点，不仅成为了PC主板上的标准接口，而且成为了所有PC外部设备如键盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机等与PC相连的标准协议之一，迅速占领了计算机中、低速外部设备的市场。

USB（Universal Serial Bus）即“通用串行总线”是一种应用在计算机领域的新型接口技术。USB的拓扑结构中居于核心地位的是Host（也称为主机）。任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的USB外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大量的扮演主机角色的是个人电脑PC。

随着USB应用领域的逐渐扩大，对于USB的期望也越来越高。我们希望USB能应用在各种计算机领域中，希望能通过PDA等移动设备直接和USB外设通信，使得USB能应用在没有PC的领域中。

而我们目前所使用的USB移动设备，大多数都是USB的外设，比如USB的移动硬盘、USB接口的数码相机等。所有这些设备都只能在PC上使用，只能通过PC来进行相互的文件和数据交换。

本驱动程序是为完善我们自行设计的嵌入式操作系统，使得它具备能识别USB HID设备的功能而开发的。所使用的编程语言为C语言，并下载到目标机上，通过测试验证可以识别USB HID设备，如USB键盘，USB鼠标等。本文探讨的即是PC上实现USB HID设备驱动的方法。

⒈ HID 设备       驱动简介

为简化USB设备的开发过程，USB提出了设备类的概念。HID设备类，即人机接口设备。典型的HID设备如键盘、鼠标。

所有设备类都必须支持标准USB描述符和标准USB设备请求。如果有必要，设备类还可以自行定义其专用的描述符和设备请求，这分别被称为设备类定义描述符和设备类定义请求。另外，一个完整的设备类还将指明其接口和端点的使用方法，如如接口所包含端点的个数、端点的最大数据包长度等。

HID设备既可以是低速设备也可以是全速设备，其典型的数据传输类型为中断IN传输，即它适用于主机接收USB设备发来的小量到中等量的数据。HID具有以下的功能特点：1)适用于传输少量或中量的数据;2)传输的数据具有突发性;3)传输的最大速率有限制;4)无固定的传输率。

HID设备类除支持标准USB描述符外（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符），还自行定义了3种类描述符，分别为HID描述符（主要用于识别HID设备所包含的其他类描述符）、报告描述符（提供HID设备和主机间交换数据的格式）和物理描述符。一个HID设备只能支持一个HID描述符；可以支持一个或多个报告描述符；物理描述符是可选的，大多数HID设备不需要使用它。

⒉  USB HID设备驱动原理

设备的USB 人机交互设备必须遵循以下的USB开始程序：

1)         插入设备

    USB设备第一次连接到总线时，虽然接上了电源，但是总线仍然没有任何功能，一定要到重置总线为止才可以开始运作。注意，一旦USB在D端使用了1.5kΩ的提升电阻，就会立即通知总线的集线器，有一个低速设备（1.5Mb/s）刚被连接上。而程序以设备地址0开始运行。

   设备插上时，电源打开重置的过程： 重置－>执行初始设置并出发总线重置中断->位于中止模式下知道总线被重置为止－>等待设备列举－>执行程序循环

2)         总线重置

     接着主机将会辨认新的USB设备并重置它。在总线重置过程中，除了设定堆栈指针外，也出发所有被使用到的中断。（总线重置的中断服务程序ISR功能）

3)        设备列举。

   主机会负责检测与设定所有连接至根集线器的设备，辨别与设定一个USB设备的程序，称为设备列举。主机首先会送出SETUP封包以读取默认地址0的设备描述符。当收到描述符后，主机将会指定新的USB地址给设备。从设备所返回的信息中，主机就会知道设备所支持的数据端点的数量。完成设备列举。

4)        数据捕捉与转换

   这里以键盘为例，在固件中将以周期性的方式，把扫描的形式写入到扫描矩阵的列I/O端口伤（接口2），并且在行I/O接口伤读取结果值以决定哪个键被按下了。通过键盘扫描后所得到的数据码，可以使用中断传输以端点1来传送给主机。设备就将键盘的8B数据放置在IN令牌包随后跟随的资料封包的数据域位内，再返回给主机。

   当含有LED的按键（如NumLock ,Caps lock 与 Scroll lock）被按下或放开时，主机就会送出含有设定报告(Set_Report)要求的SETUP封包，通过控制传输传至设备的端口0上。

⒊ USB HID设备驱动程序设计的流程说明

USB总线与设备间的交互都是通过USBD即USB总线驱动程序完成。USBD起着中间桥梁作用，解释USB设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列的USB事务，然后发送给USB主控制器驱动程序。

具体流程是插入一个USB设备后，主机检测到有设备接入，USBD就从链表中查找匹配HID设备类。为每一个接入的HID设备驱动建立一个对应的USB_HID_SIO_CHAN结构来对该HID设备驱动进行管理。这里的USB_HID_SIO_CHAN结构是USBD为每一个HID设备所分配的一个关键的内部数据结构。此后由USB主控制器驱动程序来负责硬件底层的驱动。

    而HID设备移除时，会调用函数usbHIDDeviceAttachCallback（） ，这时先判断是否有与该HID设备绑定的结构，有则清除该结构。

   成功注册一个没有被初始化的USB HID设备的程序流程如下：

⒋ USB HID设备驱动程序的实现

因为键盘和鼠标同为HID设备，具体驱动程序实现极为相似，这里仅以键盘的驱动程序实现为例，给出最主要的函数说明：

1． STATUS  usbKeyboardDevInit()

功能：键盘初始化函数，依次初始化与USBD的连接，和其他所需的内部资源。

返回值：操作成功返回OK，失败返回ERROR

注意：在调用usbKeyboardDevInit ( )前，必须保证USBD层已经初始化－至少调用了usbdInitialize().还要保证至少一个USB HCD（USB Host Controller Driver）连接到了USBD层。

2．STATUS  usbdClientRegister

    (

    T_BYTE* pClientName,                    /* Client name */

    pUSBD_CLIENT_HANDLE pClientHandle      /* Client hdl returned by USBD */

    )

功能：向USBD注册一个新客户（键盘，鼠标等）

返回值：操作成功返回OK，失败返回ERROR

3。STATUS usbdDynamicAttachRegister

 (

    USB_KBD_ATTACH_CALLBACK callback,    /* new callback to be registered */

    T_VOID* arg                  /* user-defined arg to callback */

    )

功能：每次插上或者移除键盘时，都会由回调函数调用，

该函数实现USB设备动态插拔。

返回值：操作成功返回OK，失败返回ERROR

4． T_MODULE T_VOID usbKeyboardAttachCallback

(

    USBD_NODE_ID nodeId,

    T_UHWORD attachAction,

    T_UHWORD configuration,

    T_UHWORD interface,

    T_UHWORD deviceClass,

    T_UHWORD deviceSubClass,

    T_UHWORD deviceProtocol

    )

功能：每次插上或者移除键盘时由USBD调用

注意：有可能同一个设备会多次插拔，对这种情况USBD会忽略除第一次外的callback

返回值：无

5． T_ MODULE pUSB_KBD_SIO_CHAN createSioChan

    (

    USBD_NODE_ID nodeId,

    T_UHWORD configuration,

    T_UHWORD interface

    )

功能：给USBD分配的nodeId创建一个新的USB_KBD_SIO_CHAN结构

返回值：成功返回指向该结构的指针，失败返回NULL

6． T_MODULE T_BOOL configureSioChan

    (

    pUSB_KBD_SIO_CHAN pSioChan

)

功能：配置键盘信息

返回值：成功返回TRUE，失败返回FALSE

7． T_MODULE T_VOID usbKeyboardIrpCallback

    (

    T_VOID* p        /* completed IRP */

)

功能： IRP完成或取消时调用

返回值：无

8． T_MODULE T_VOID interpKbdReport

    (

    pUSB_KBD_SIO_CHAN pSioChan

    )

功能：解释USB键盘的BOOT REPORT，得到键盘扫描码。

返回值：无

⒌ USB HID设备的数据获取方式

必须注意的是这里鼠标和键盘的处理方式完全不一样。

键盘是以轮询方式获得数据。使用如下的函数：

T_MODULE T_WORD usbKeyboardPollInput

   (

    SIO_CHAN *pChan,

        T_BYTE *thisChar          /*按键值*/

    )

返回值：收到字符返回OK;

设备错误返回EIO;

如果输入缓冲为空返回EAGAIN;

设备只能在中断模式下工作返回ENOSYS.

所获取的按键值都将存放在给键盘分配的对应的USB_KBD_SIO_CHAN结构里的inQueue [KBD_Q_DEPTH]。

   而鼠标驱动程序的设计则是在IRP成功返回的时候，直接由函数usbMouseIrpCallback（）通过调用函数interpMseReport（）取得USB_MSE_SIO_CHAN结构结构里的pReport项。该pReport项即包含的是鼠标按键的状态。

随着USB2.0的发布，USB越来越流行，它已经成为绝大多数PC外设上的标准接口。我们看到，USB的应用开发也在不断发展，不断完善。因此，研究USB技术将具有极大的应用背景和市场前景。

参考文献：

[1.]    王成儒，李英伟．USB2.0原理与工程开发．第一版．北京：国防工业出版社，2004

[2.]    Universal Serial Bus Specification 1.1 ．http://www.usb.org/

[3.]    http://www.usb.org/

[4.]    http://www.usbing.net