Что такое hid устройства
Что такое устройство с интерфейсом пользователя (HID)?
Есть много странных терминов, связанных с использованием компьютера. Возможно, вы видели «Устройство интерфейса человека» или «HID». Звучит как что-то из научно-фантастического фильма, но что именно это означает?
«Устройство интерфейса человека» может звучать странно чуждо, но на самом деле название очень информативное. Проще говоря, HID — это стандарт для компьютерных устройств, которыми управляет человек. Стандарт позволяет легко использовать эти устройства без какого-либо дополнительного программного обеспечения или драйверов.
Стандарт упрощения принадлежностей
«Устройства интерфейса пользователя» — это стандарт, созданный для упрощения процесса установки устройств ввода. До HID существовало несколько конкретных протоколов для каждого типа устройства ввода.
Это означало, что существует протокол для мышей, протокол для клавиатур и так далее. Устройствам необходимо использовать существующие протоколы или создавать собственные драйверы. У людей было больше работы по установке и настройке устройств.
Для сравнения, HID-совместимое устройство включает «пакеты данных», которые содержат все действия устройства. Например, на клавиатуре может быть клавиша для регулировки громкости. При нажатии этой клавиши «дескриптор HID» сообщает компьютеру, где в пакетах хранится цель этого действия, и оно выполняется.
Протокол HID значительно упрощает компаниям производство широко совместимых аксессуаров. Все современные операционные системы поддерживают протокол HID. Вы можете подключить USB-клавиатуру к ПК с Windows, Mac, Chromebook или даже к планшету Android, и она сразу заработает. Это все благодаря HID.
HID и приложения
Самым большим преимуществом HID является возможность просто подключить к вашему устройству практически любое периферийное устройство, и оно сразу же начнет работать. Но это только половина магии. А как насчет того, чтобы эти аксессуары работали с приложениями?
Вы можете подключить USB-контроллер к своему ПК, и он, как правило, будет управлять игрой должным образом. Даже если контроллер был сделан после игры, он все равно работает. Разработчикам игры не нужно было ничего делать, чтобы это произошло.
Когда вы подключаете HID-устройство, оно сообщает о своих возможностях операционной системе. Операционная система интерпретирует данные и классифицирует устройство. Это позволяет приложениям и играм ориентироваться на классы устройств, а не на конкретные модели.
Это очень важный элемент HID, и мы принимаем его как должное. Игровой контроллер будет работать с вашей библиотекой Steam. Zoom узнает, что нужно включить вашу веб-камеру. Все это происходит с очень небольшой настройкой с вашей стороны.
Типы устройств интерфейса пользователя
Как упоминалось ранее, USB-периферийные устройства являются наиболее распространенными устройствами с интерфейсом пользователя, которые вы увидите, но есть и другие типы.
USB-устройства относятся к классу «USB-HID». Это включает в себя обычные вещи, такие как клавиатуры, мыши, веб-камеры, трекпады и игровые контроллеры. Другие устройства USB-HID включают термометры, аудио инструменты, медицинское оборудование, телефоны и тренажеры.
Другой распространенный тип — Bluetooth-HID. Это тот же протокол USB-HID с небольшими изменениями для Bluetooth. Как и следовало ожидать, сюда входят устройства, аналогичные USB-HID, но они подключаются через Bluetooth. Мышь Bluetooth будет работать независимо от того, подключена ли она к ПК с Windows, Mac или Chromebook.
Устройства интерфейса пользователя — одни из наиболее распространенных устройств, которые мы используем с компьютерами. Мы не очень ценим, насколько легко ими пользоваться. Было время, когда это было не так просто.
HID не только упростил использование компьютеров, но и внес свой вклад в массовый рынок аксессуаров. Существуют тысячи клавиатур, мышей, веб-камер, контроллеров и других продуктов, о несовместимости с которыми вам просто не нужно беспокоиться.
В истории компьютеров было много достижений, но стандарт Human Interface Device имел оглушительный успех.
Русские Блоги
Устройство HID для анализа протокола USB
1. Краткое описание
Одним из преимуществ устройств USB HID является то, что операционная система поставляется с драйверами HID, и пользователям не нужно разрабатывать драйверы, если они используют системные вызовы API для завершения взаимодействия.
Он содержит две наиболее важные инструкции:
1. 《Device Class Definition for human interface device (HID)》
2. 《Universal Serial Bus HID Usage Tables》
Документ 1 описывает базовый состав и формат HID, а документ 2 является дополнением к документу 1, в котором перечислены основные компоненты различных устройств HID.
2. Протокол HID
Основываясь на введении базового протокола USB в предыдущей главе, в этой главе основное внимание уделяется классам взаимодействия человека и компьютера HID. (Базовый протокол USB-связи доступен по умолчанию)
2.1 Канал связи USB HID устройства
Все устройства HID связываются с хостом через канал управления USB (канал по умолчанию, конечная точка 0) и канал прерывания (конечная точка 1 или конечная точка 2).
Описание запроса конвейера
Элемент управления (конечная точка 0) должен передавать дескриптор USB, код запроса класса и данные сообщения для запроса
Вход прерывания должен передавать входные данные с устройства на хост
Выход прерывания Дополнительно Передача выходных данных с хоста на устройство
Конвейер управления в основном используется в следующих трех аспектах
Конвейер прерывания в основном используется в следующих двух аспектах
Передача выходных данных прерывания от USB-хоста к USB-устройству является необязательной.Когда выходные данные прерывания не поддерживаются, USB-хост передает данные на USB-устройство через канал управления.
2.2 Дескрипторы, относящиеся к USB HID устройствам
В дополнение к пяти стандартным дескрипторам USB (дескриптор устройства, дескриптор конфигурации, дескриптор интерфейса, дескриптор конечной точки, строковый дескриптор), дескрипторы устройства HID также включают три дескриптора, зависящих от класса устройства HID: Дескриптор HID, дескриптор отчета (Отчет), дескриптор объекта (Физический) 。
Иерархическая взаимосвязь между ними показана на рисунке:
Можно видеть, что на уровне Interface desc указано HID desc.
В дополнение к трем конкретным дескрипторам HID, которые составляют интерпретацию устройств HID, к устройствам HID относятся пять стандартных дескрипторов:
1 — Boot Interface SubClass
2.2.1 Дескриптор HID
Дескриптор HID связан с дескриптором интерфейса, поэтому, если устройство имеет только один дескриптор интерфейса, независимо от того, сколько дескрипторов конечных точек оно имеет, устройство HID имеет только один дескриптор HID. Дескриптор устройства HID в основном описывает номер версии спецификации HID, дополнительные дескрипторы, используемые при обмене данными HID, и длину дескриптора отчета. В следующей таблице показана структура дескриптора HID.
| Смещение | площадь | Размер (байт) | ценность | описание |
| 0 | bLength | 1 | цифровой | Длина этого дескриптора в байтах |
| 1 | bDescriptorType | 1 | постоянный | Тип дескриптора (здесь 0x21 Категория HID) |
| 2 | bcdHID | 2 | цифровой | Номер версии спецификации HID (код BCD) с использованием 4-х шестнадцатеричных кодов формата BCD |
| 4 | bCountryCode | 1 | цифровой | Идентификационный код страны назначения оборудования |
| 5 | bNumDescriptors | 1 | цифровой | Количество поддерживаемых вспомогательных дескрипторов |
| 6 | bDescriptorType | 1 | постоянный | Типы дескрипторов, связанных с HID, см. В таблице ниже |
| 7 | wDescriptorLength | 2 | цифровой | Сообщите общую длину дескриптора |
| 9 | bDescriptorType | 1 | постоянный | Константа, используемая для определения типа дескриптора, используйте устройство с более чем одним дескриптором |
| 10 | wDescriptorLength | 2 | цифровой | Общая длина дескриптора, используемого в устройствах с более чем одним дескриптором. |
| Значение типа дескриптора | |
|---|---|
| 0x22 | Дескриптор отчета |
| 0x23 | Дескриптор объекта |
В стандартном запросе USB, когда используется дескриптор конфигурации get, он будет возвращен в следующем порядке, то есть дескриптор HID также будет возвращен.
Дескриптор HID также содержит тип и длину присоединенного к нему дескриптора (например, дескриптора отчета), а затем хост запрашивает соответствующий дескриптор на основе информации в дескрипторе HID. Другими словами, хост знает, что устройство является HID-устройством, получая дескриптор.
Обычно в процессе запроса дескрипторов конфигурации и получения всех дескрипторов выбирают » Class 0x01 ”：
2.2.2 Дескриптор отчета
Дескриптор отчета является наиболее сложным из всех описаний USB, потому что он отличается от других и не имеет фиксированной длины и таблицы. Это переменный и разнообразный дескриптор.
Дескриптор отчета фактически сообщает хосту, какие биты или байты представляют значение данных, передаваемых через конечную точку прерывания. Таким образом, он может быть более абстрактным, но после прочтения следующего описания он станет более ясным в ретроспективе.
Чтобы понять дескриптор отчета, необходимы два официальных USB HID-данных:
《Device Class Definition for human interface device (HID)》
《Universal Serial Bus HID Usage Tables》
Дескриптор отчета состоит из одного элемента. Элемент делится на два типа. Имеются следующие форматы:
1. Short Item
2. Long Item
Из вышеперечисленного здесь в основном речь идет оShort Item, Наиболее используемым является Short Item 。
Короче говоря, первый 1 байт представляет цель этого элемента:
bSize: представляет следующие данные размером до 4 байтов.
bType: показывает, какой тип элемента является данным элементом. Существует три основных типа: основной (0x00), глобальный (0x01) и локальный (0x02).
bTag: представляет более подробную классификацию по соответствующему элементу.
| —— Основное разделено на: ввод, вывод, функция, коллекция, конечная коллекция.
| —— Глобальное разделение на: страницу использования, логический минимум, логический максимум и т. Д.
| —— Локальное разделение на: использование, минимум использования, максимум использования, строку и т. Д.
ДляbSize + bType + bTag Комбинация из 1 байта показана в таблице ниже:
В таблице перечислены все взаимодействия. Знак «?» Представляет значение младших 4 битов. Например, короткий элемент:
0x05 =》 0000 01 01 Можно разбить:bSize = 1；bType = 1（Global）；bTag = 0（Usage Page）
Приведенная выше интерпретация исходит из 《Device Class Definition for human interface device (HID)》 Файл, следующий за 0x01 Это 1 байт данных. Необходимо выяснить конкретное значение этих данных:《Universal Serial Bus HID Usage Tables》 Может быть найдено в, что означает: Generic Desktop 。
То есть согласно [bSize + bType + bTag】 Информация знает конкретное значение тега. Комбинируя таблицу таблицы и конкретный тег, найдите соответствующее значение следующих данных, чтобы достичь цели интерпретации дескриптора отчета.
Разберем функцию и значение нескольких важных тегов.
Main
| —— Ввод: указывает режим ввода данных о работе устройства на хост. Этот формат данных формирует входной отчет.Хотя входной отчет может быть передан конвейером управляющего типа с получением отчета (входом), он обычно передается входным конвейером типа прерывания, чтобы гарантировать, что обновленный входной отчет может быть передан в каждый фиксированный период. Передайте хосту.
| —— Вывод: представляет формат данных, выводимых хостом для операции устройства. Этот формат данных формирует выходной отчет. Выходной отчет обычно не отправляется на устройство путем опроса, но выходной отчет должен быть отправлен прикладным программным обеспечением в соответствии с фактическими потребностями, поэтому большинство конвейеров контрольного типа используются для отправки отчета на устройство с установить команду отчета (вывода). Конечно, вы также можете использовать прерванный выходной конвейер для передачи, но обычно это не рекомендуется.
| —— Функция: указывает формат данных конфигурации, требуемых хостом для отправки на устройство. Этот образец данных формирует характерный отчет. Отчет о функциях может использовать конвейер управления только для получения и установки значения функции устройства с помощью команд получить отчет (функция) и установить отчет (функция) соответственно.
Main （ Формат данных и смысл Три тега (Вход, Выход и Функция), которые создают формат данных отчета в), имеют общие определения данных. Эти данные:
Данные / константа: данные основного элемента представляют собой значение переменной (установленное на Data) или фиксированное неизменяемое значение (установлено на Constant). Константы используются в отчете Feature или используются для заполнения, поэтому длина отчета указывается в байтах.
Массив / переменная: каждое поле данных основного элемента может указывать, что запускается одна из нескольких различных операций (установлено значение «Массив»), или каждое поле указывает только одну операцию (установлено значение «Переменная»). Если это переменная, значение данных Report Count равно количеству полей данных отчета. Если это массив, значение данных Report Count указывает максимальное количество операций, которые могут быть запущены одновременно.
Абсолютный / Относительный: данные основного элемента предоставляют абсолютные значения относительно фиксированной контрольной точки (установленной на Абсолютный) или предоставляют относительные значения относительно предыдущего отчета (установленный на Относительный).
Без переноса / переноса: когда значение данных основного элемента достигает экстремального значения, оно переключается на чрезвычайно низкое значение, и наоборот, что называется намоткой (установлено значение Wrap). Например, поворотную ручку можно повернуть на 360 °, а выходное значение находится в диапазоне от 0 до 10. Если установлено значение Wrap, значение достигает 10, а значение становится 0, если она вращается в том же направлении. В противном случае, если он достигнет 0, поверните его снова, чтобы получить 10.
Линейный / Нелинейный: данные основного элемента и шкалы операций являются линейными (для параметра «Линейный») или нелинейными (для параметра «Нелинейный»).
Предпочтительное состояние / Нет предпочтений: операция, соответствующая основному элементу, автоматически вернется в исходное состояние (установленное на Предпочтительное состояние), когда она не запущена, или она не вернется в исходное состояние (установлено на Нет предпочтительного). Например, клавиши клавиатуры и самоцентрирующиеся джойстики являются предпочтительными состояниями.
Нет нулевой позиции / нулевое состояние: операция, соответствующая основному элементу, имеет состояние, при котором значимые данные не будут отправляться, то есть данные не будут находиться между логическим минимумом и логическим максимумом. Этот вид манипуляции должен быть отмечен как нулевой. Состояние, иначе это не нулевая позиция. Например, если имеется несколько клавиш, но в столбце Использование не указано, что ни одна клавиша не нажата, вы можете установить нулевое состояние в данных основного элемента, чтобы исключить состояние отсутствия нажатой клавиши из логического элемента. Минимальный и логический максимальный диапазон, см.Universal Serial Bus HID Usage Tables Пример в Приложении A.3 документа.
Non Volatile / Volatile: Данные основного элемента Feature не могут быть изменены хостом (установлен на Non Volatile) или разрешены для изменения хостом (установлен на Volatile). Обратите внимание на основные пункты Input и Output, эта установка метки бессмысленна, поэтому код бита 7 должен быть 0.
Битовое поле / буферизованные байты: формат данных основного элемента должен быть в байтах.Если этого недостаточно для формирования байтов, он будет автоматически заполнен байтами, затем установите буферизованные байты.
STM32 и USB-HID — это просто
На дворе 2014 год, а для связи микроконтроллеров с ПК самым популярным средством является обычный последовательный порт. С ним легко начать работать, он до примитивности прост в понимании — просто поток байт.
Однако все современные стандарты исключили COM порт из состава ПК и приходится использовать USB-UART переходники, чтобы получить доступ к своему проекту на МК. Не всегда он есть под рукой. Не всегда такой переходник работает стабильно из-за проблем с драйверами. Есть и другие недостатки.
Но каждый раз, когда заходит разговор о том, применять USB или последовательный порт, находится множество поклонников логической простоты UART. И у них есть на то основания. Однако, хорошо ведь иметь альтернативу? 
Меня давно просили рассказать как организовать пакетный обмен данными между ПК и МК на примере STM32F103. Я дам готовый рабочий проект и расскажу как его адаптировать для своих нужд. А уж вы сами решите — нужно оно вам или нет.
Выбор профиля HID
USB-HID — довольно обширный класс устройств, поэтому прежде всего придется выбрать какое именно устройство мы будем создавать.
Мы можем создать эмуляцию клавиатуры, мыши, джойстика и других устройств ввода, а можем создать свое устройство, чтобы не зависеть от довольно жестких рамок стандарта и свободно обмениваться данными с ПК.
Я расскажу как cделать Custom HID device. Это дает максимальную свободу. Чтобы не затягивать статью, постараюсь рассказать максимально кратко — описаний стандарта в сети и без меня много, но лично мне они слабо помогли, когда понадобилось решить конкретную задачу.
Структура проекта
Инициализация USB
В функции Set_System() производится настройка пина подтяжки линии D+ к питанию для программного подключения/отключения устройства от ПК (в нашей плате не используется), настраивается прерывание и инициализируются светодиоды и кнопки для демонстрационного проекта.
В USB_Interrupts_Config() настраиваются прерывания в зависимости от семейства МК (поддерживаются F10x, F37x, L1x).
Функция USB_Init() запускает работу USB модуля. Если временно нужно отключить для отладки работу с USB, просто закомментируйте эту строку.
Далее в бесконечном цикле проверяется, удалось ли сконфигурировать USB модуль при подключении к ПК. Если все сработало верно и устройство успешно подключилось, ПК включен и не находится в режиме энергосбережения, то состояние будет CONFIGURED.
Далее проверяется, была ли закончена предыдущая передача данных в ПК и если да, то готовится к отправке новый пакет в функции RHIDCheckState()
Размер пакета и частота передачи
В комментариях все довольно прозрачно. Обратите внимание на DEVICE_VER_L, DEVICE_VER_H — это константы из usb_desc.h, которые вы можете изменить для идентификации версии своего устройства.
Здесь стоит обратить внимание на константу wMaxPacketSize — она определяет максимальный размер пакета, которым мы будем обмениваться с ПК. Проект так настроен, чтобы при ее изменении менялись и размеры буферов. Но не забывайте, что больше 0x40 по стандарту указывать не стоит. С этой константой будьте осторожны — если передаваемый пакет будет отличаться по размеру — будут проблемы!
Следующая за ним константа с комментарием bInterval — это период опроса устройства в миллисекундах. Для нашего устройства задано 32мс.
Это самый важный дескриптор — он описывает протокол обмена и функционал устройства. Его формирование — не самая простая задача. Если допустить ошибку при формировании дескриптора — устройство перестанет работать. Формат дескриптора очень жесткий. Есть даже специальная утилита HID Descriptor tool. А в корне проекта лежит файл «RHID.hid» с описанным выше дескриптором для редактирования в этой утилите. Но если вы не понимаете, что делаете, лучше не лезть.
Для простоты я сделал две константы:
RPT3_COUNT — размер OUTPUT буфера в байтах для передачи пакета в МК (в примере — 1 байт)
RPT4_COUNT — размер INPUT буфера в байтах для передачи пакета в ПК (в примере — 4 байта)
Размер любого из этих буферов не должен превышать wMaxPacketSize. Меньше — можно.
Кстати, превратить Custom HID в другой HID девайс, например, клавиатуру или джойстик можно фактически только переписав ReportDescriptor и изменив класс и подкласс устройства в дескрипторе конфигурации.
Что такое Report
Цикл обмена
Массив uint8_t Buffer[RPT4_COUNT+1] определен как размер полезных данных входящего (рассматривается всегда с точки зрения хоста) пакета + байт ID. Это важно — если размер буфера будет отличаться — будут проблемы. Поэтому для изменения размеров буфера редактируйте значение константы в usb_desc.h.
В функции мы собираем данные в пакет, устанавливаем флаг PrevXferComplete = 0, говорящий о том, что данные отправляются и вызываем функциии библиотеки USB_SIL_Write и SetEPTxValid для отправки данных хосту.
Все, на этом передача данных хосту закончена.
С приемом данных немного сложнее — есть два способа послать данные девайсу — один из них заключается в использовании описанных в дескрипторе репорта возможностей устройства (Features), с соответствующими параметрами посредством функции SET_FEAUTRE. Это некоторая абстракция, для красивого управления устройством с кучей функций, чтобы можно было вызывать осмысленные функции, а не просто слать поток байт.
Второй способ — это работа с устройством как с файлом — просто записываем в него пакет как в файл. Этот метод называется SET_REPORT. На деле работает чуть-чуть медленнее.
Наше устройство поддерживает оба метода, о чем мы и сказали хосту в дескрипторе репортов.
Обработка SET_FEATURE
Данные, отправленные методом SET_FEAUTRE обрабатываются в usb_prop.c
Здесь мы проверяем первый байт в репорте и в соответствии с ним обрабатываем остаток пакета — управляем светодиодами или просто берем байт, отправленный нам хостом и кладем в пакет для последующей отправки обратно в функции RHIDCheckState.
Под Report_Buf зарезервировано wMaxPacketSize байт, чтобы влез любой пакет, который нам отправит хост.
Данные, отправленные методом SET_REPORT обрабатываются в usb_endp.c
Здесь почти то же самое, только нужно самостоятельно забрать данные вызовом USB_SIL_Read(EP1_OUT, Receive_Buffer) и в конце сообщить, что мы закончили вызовом SetEPRxStatus(ENDP1, EP_RX_VALID);
Настраивать устройство, передавать и принимать данные в пакетах нужного размера с нужной нам периодичностью мы научились.
Собираем проект и прошиваем в устройство.
Работать, это будет примерно так:
Проект поддерживает взаимодействие с утилитой USB HID Demonstrator от ST Microelectronics.
Страница Device capabilities отображает возможности, описанные в Report Descriptor.
Input/Output transfer позволяет вручную поотправлять данные девайсу и посмотреть пакет, который от него приходит.
Graphic view позволяет управлять светодиодами, чекбоксами Led 1, Led 2, настроив соответствующий им Report ID, а также передавать байт ползунком (ReportID=3) 
Также я написал маленькую демо-софтинку, которая автоматически определяет подключение к компу и отключение нашего девайса по его VID и PID, отображает статус — подключено/отключено индикатором рядом с чекбоксом Auto Connect
Радиокнока Send using позволяет выбрать метод отправки данных девайсу.
Report: отображает полученный от девайса пакет побайтно, начиная с ReportID.
Щелкая по светодиодам ниже — управляем светодиодами девайса. Их состояние отображает текущее состояние девайса. Считывается из репорта от девайса.
Перемещая ползунок, мы отправляем Report с и значением, соответствующим позиции ползунка. Девайс вернет это значение в 4 байте репорта.
В выпадающем комбобоксе отображаются HID девайсы, найденные в системе и если найден наш девайс, то отображается его название.
Скачать все, что необходимо, можно на GitHub. В составе:
DT — HID Descriptor tool
tstHID-STM32F103 — проект для EmBlocks
USB HID Demonstrator — утилита от ST Microelectronics
HIDSTM32.exe — моя демо-софтинка на Delphi аналогичного фукнционала, но не требующая настройки
Если остались вопросы — пишите в комментариях. Постараюсь ответить. Я постарался не утопить суть в куче мелочей, чтобы сложилось общее понимание. Остальное уже можно понять, изучая проект. Но если вам нужно быстро сделать свое устройство, а лезть в дебри некогда — все, что вам нужно, я описал.