USBHID设备驱动程序设计

1、USB HID设备驱动程序设计引自：http:/blog.csd n.n et/hudaweikevi n/archive/2009/11/02/4756394.aspx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

2、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

3、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

4、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。1. 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

5、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H

6、ID设备不需要使用它。2. 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 1.5kQ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

7、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

8、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。3. 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

9、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吉构来对该 HID设备驱动进行管理。这里的USB_HID_SIO_CHAN吉构是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:4. USB HID设备驱动程序的实现因为键盘和鼠标同为

10、 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 usbKeyboardDevI nit()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0K,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(pUSBD_CLIENT

11、_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0K,失败返回ERROR3。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

12、OK,失败返回ERROR4 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callback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返回值：无5 T_ MODULE pUSB_KBD_SI

13、O_CHAN createSioChan(USBD_NODE_ID nodeId,T_UHWORD configuration,T_UHWORD interface)功能：给USBD分配的nodeld仓U建一个新的 USB_KBD_SIO_CHAN吉构返回值：成功返回指向该结构的指针，失败返回 NULL6 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FALSE7 T_MODULE T_VOID usbKeyboardIrpCallback(T_VOID* p/* co

14、mpleted 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5. 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in QueueKBD_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 usbMouselrpCall