基于S 3 C 2 4 4 0的U S B H I D类通信接口的设计

蒋康康，郑思远

（重庆邮电大学自动化学院 重庆 400065）

0 引言

USB接口作为一种高速的新型总线接口，支持即插即用设备，并能为外设提供电源且易于扩展，已成为了计算机和嵌入式系统应用的主流接口。人机接口设备(HID)一直是Windows系统支持较完善的设备类，不仅提供了完整的USB系统软件，而且直接提供HID的设备驱动程序，只要按照HID类的规范编写设备固件程序，就能够让Windows系统自动识别设备，省去了复杂的驱动程序编写过程，这样大大降低了开发的难度[1]。本文给出了一种利用S3C2440内置USB控制器实现HID类接口的设计方案，以及如何在应用程序中对HID类设备进行访问。

1 S3C2440的USB接口设计

S3C2440是基于ARM920T内核的一款MCU，主频高达400MHz。其内部集成的全速USB设备控制器兼容USB1.1，支持全速和低速两种运行速度，提供了5个可灵活配置的端点，64字节FIFO存储器，集成的USB收发器，支持挂起和远程唤醒功能，可方便实现与计算机通信[2]。由于S3C2440内部集成了USB控制器，所以接口电路比较简单，如图1所示。

图1 S3C2440的USB接口电路

2 USB HID类

HID是用于管理和控制大多数计算机的人工输入设备，如键盘、鼠标、游戏杆等；但HID设备不一定非要是这些人机交互设备，只要符合HID设备级定义规范要求的都可以认为是HID设备，其具有以下功能特点[3]：①交换数据驻留在报告结构里；②适用于传输少量或中量的数据；③传输的数据具有突发性；④传输的最大速率有限制；⑤无固定的传输率。

USB设备有4种传输方式与主机进行通信：控制方式、中断方式、批量方式和同步方式。HID类仅支持其中的2种，即控制传输和中断传输。HID设备和主机上的HID类驱动程序之间是通过缺省的控制管道和中断管道来传输数据的，其中控制管道和中断输入管道是必须的，中断输出管道是可选的[4]，如图2所示。

图2 HID的数据传输方式

HID设备类是在USB的接口描述符中定义的，其除了支持标准USB描述符外，还自行定义了3种描述符，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设备和主机问交换数据的格式）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。图3显示了HID各种描述符之间的关系[5]。

图3 HID各种描述符之间的关系

USB协议定义了11种标准请求命令，Get Status，Clear Feature，Set Feature，Set Address，Get Description，Set Description，Get Configuration，Set Configuration，Get Interface，Set Interface和Synch Frame。主机通过这些请求来获取设备的信息及对设备进行设置。HID类设备除了支持这些标准请求外，还要实现以下6种特定请求：Get Report、Set Report、Get Idle、Set Idle、Get Protocol、Set Protocol。Get Report和Set Report的作用是通过控制管道接收和发送数据报告[6]。

3 固件程序设计

3.1 初始化

初始化部分是固化程序能畅通运行的基础，是USB系统能正常工作的基本工作。主要包括USB设备控制器中的特殊寄存器初始化、中断初始化以及描述符的初始化[7]。

3.2 USB HID枚举过程

USB设备固件程序的核心就是对主机请求进行响应，实现USB设备枚举。枚举是USB设备插上之后，主机与设备最初的数据交换过程。在编写这部分代码时，首先应该清楚USB设备连接到主机时，主机需向USB设备所发的所有请求，然后编写相应的代码来响应具体的请求。图4为USB连接时总线枚举的主要过程。

图4 USB设备枚举过程

HID类设备接收主机的一系列请求时都是通过中断的方式来激活。当设备收到来自USB接口的中断时，会立即根据USB中断寄存器中的变化来判断PC的请求，并对其作出相应的响应。当主机通过缺省的控制通道对USB设备发出请求时，设备的端点0产生中断，设备首先从端点0的FIFO中读出Setup包，然后根据Setup包中的数据来确定具体的响应。Setup包内的每个域(或称字段)值是由主机负责设置。每个Setup包由8个字节构成，可用C语言的结构体数据类型描述如下：

USB设备接收该包的语句为(其中RdPktEp0()为从端点0缓冲区FIFO中读取8字节数据的函数，DescSetup为保存Setup包的结构)：

RdPktEp0((unsigned char *)&DescSetup，8)；

然后根据Setup包中域bRequest中的值来判断具体的请求，使用分支语句来实现不同请求的跳转，以完成对主机标准请求和HID类特定请求的响应。形式为：

具体情况如下：

1)当 bmRequestType=0x80且 bRequest=0x06， 主机请求类型为GET_DESCRIPTOR，此时若bValueH为0x01表明主机向设备请求设备描述符；为0x02表明主机向设备请求配置描述符；为0x03表明主机向设备请求字符串描述符。

2)当bmRequestType=0x00且bRequest=0x05，主机请求类型为SET_ADDRESS，bValueL为设置的地址值。

3)当bmRequestType=0x00且bRequest=0x09，主机请求类型为SET_CONFIGURATION，bValueL指示了一个设置配置。

4)当bmRequestType=0x21且bRequest=0x0A，主机请求类型为Set_Idle，该请求的作用是限制中断输入端点的报告频率来节省总线带宽，bValueH设置了报告之间的最大时间间隔，bValueL设置了设备所支持的报告类型。

5)当 bmRequestType=0x81，bRequest=0x06且bValueH=0x22，表明主机向设备请求报告描述符。

4 应用程序设计

Windows为应用程序访问HID设备提供了强大的支持，提供了完整的HID类驱动程序以及相应的API函数。API函数名中包含Hid字样的函数属于hid.lib，包含Setup字样的函数属于setupapi.lib，使用VC编写应用程序时需要在工程设置选项的Link下的Library Modules下加入hid.lib和setupapi.lib，否则会出现链接错误[8]。

应用程序要访问设备首先必须利用Windows提供的API函数枚举到设备，图5为应用程序枚举HID设备流程。

图5 应用程序枚举HID设备流程

枚举成功后返回设备句柄，然后就可以调用ReadFile()和WriteFile()函数对设备进行读/写数据了。

图6 USB HID应用程序运行界面

根据上述思路编写的USB HID主机应用程序的人机界面如图6所示。测试时，ARM9控制器S3C2440模块每隔5ms向PC机端循环发送0~7共八字节数据，点击图6所示的“接收”，可以看到界面上能准确无误显示收到的数据。

5 结束语

该设计融合了S3C2440功耗小、代码执行效率高和USB传输效率高、结构简单的优点, 容易可靠地实现USB HID设备的开发，所设计程序已经在硬件平台上成功运行。这样的设备无需驱动，在插入PC后就能立刻开始工作，省去了安装驱动程序的过程，方便使用。

[1] 马伟.计算机USB系统原理及其主/从机设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2] S3C2440A处理器用户手册，Revision 1.

[3] USB Implementer's Forum.Universal Serial Bus Device Class Definition for Human Interface Device 1.11.2001.6.27

[4] 詹克团，侯国志.USB HID类设备的开发[J].电测与仪表，2004，41(5)：48-50.

[5] 杨晶晶，江春华.USB HID设备驱动程序设计[J].微计算机信息，2006(22)：140-143.

[6 刘立，谢剑斌.基于HID类的USB接口技术研究[J].计算机工程与科学,2003，25(5)：82-85

[7] 倪陈强，陈 赘.基于C8051f340单片机的USB HID类设备设计[J].现代电子技术，2007，18(257)：64-66.

[8] 扶文树，何 军，陆信如.USB HID数据通信接口的设计与实现[J].工业控制计算机，2009，22(2)：8-9.