USB-HID类设备

HID（Human Interface Device，人机接口设备）类设备包含键盘、鼠标、触摸板、游戏杆等非常多类别的设备，是直接与人交互的USB设备。

一般的操作系统，都对HID设备有一定支持，符合HID规范的设备都可以免驱运行。

一，HID设备的特点

• 类描述符为HID描述符
• 使用报告(Report)进行数据传输
• 报告使用报告描述符进行规范定义
• 免驱动，操作系统原生支持

通过接口描述符定义设备类型为HID类，类描述符返回HID描述符。

在设置配置之后，主机会向设备发送HID类请求，请求HID描述符中说明的报告描述符。

HID类别设备的规范文件有：

• Device Class Definition for Human interface Devices
• HID Usage Tables

其中前者是HID的基本规范文件，后者提供实际的控制类型的描述。

二，HID描述符

当接口描述符中的bInterfaceClass为0x03，表示这是一个HID设备。

在HID1.1中，此时，bInterfaceSubClass的值为1，表示可以在BOIS阶段使用，为0表示必须在操作系统启动后使用。bInterfaceProtocol为1表示键盘，为2表示鼠标，0为NONE。

HID描述符跟在HID接口描述符后返回，是一种类描述符。

HID描述符结构

偏移量/字节	域	大小/字节	说明
0	bLength	1	该描述符的长度
1	bDescriptorType	1	描述符类型（HID 描述符为 0x21）
2	bcdHID	2	HID 协议的版本
4	bCountryCode	1	国家代码
5	bNumDescriptors	1	下级描述符的数量
6	bDescriptorType	1	下级描述符的类型
7	wDescriptorLength	2	下级描述符的长度
9	bDescriptorType	1	下级描述符的类型（可选）
10	wDescriptorLength	2	下级描述符的长度（可选）
…	…	…	…（可选）

• bLength——描述符长度
• bDescriptorType——描述符编号，HID为0x21
• bcdHID——HID版本，对HID1.1是0x0110
• bCountryCode——国家代码，对美式键盘，为33即0x21
• bNumDescriptors——下级描述符数量
• bDescriptorType——下级描述符类型，报告描述符为0x22
• bDescriptorLength——下级描述符长度

如果有多个下级描述符，bDescriptorType和bDescriptorLength将交替重复。

下级描述符分类

常见的下级描述符有两类：

描述符类型值	名称（英文）	说明与用途
0x22	Report Descriptor（报告描述符）	必选。定义 HID 设备上报给主机的数据结构（按键位图、轴坐标、LED 状态等）。每个 HID 接口必须包含至少一个报告描述符。
0x23	Physical Descriptor（物理描述符）	可选。用于描述设备上物理控制部件（按键、旋钮、滚轮等）的位置、形状、功能等信息。绝大多数 USB HID 设备并不实现物理描述符。

一般来说，只会出现一个报告描述符。

三，HID请求

USB请求中bmRequestType中设置该请求为类请求，bRequest标志HID请求种类。如下表：

bRequest 值	名称	数据方向	功能说明
0x01	GET_REPORT	设备→主机	让设备返回一份 输入/输出/特性报告（Input/Output/Feature Report）。常用于启动阶段拉取当前按键状态或传感器值。
0x09	SET_REPORT	主机→设备	主机向设备下发一份 输出/特性报告，典型场景：初始化时点亮键盘 LED、设置触控板参数。
0x02	GET_IDLE	设备→主机	查询 HID 设备当前的 idle 时间（指当HID设备没有数据报告时，主机限制中断输入端点的报告间隔时间。默认情况下，空闲速率为0。GetIdle是一个非必要请求。单位：4ms）。
0x0A	SET_IDLE	主机→设备	设置上述空闲率。Windows常设置为0.
0x03	GET_PROTOCOL	设备→主机	仅对 Boot Device（键盘/鼠标）有效：读取当前协议模式——0 = Boot Protocol，1 = Report Protocol。
0x0B	SET_PROTOCOL	主机→设备	仅对 Boot Device 有效：切换协议模式。BIOS/UEFI 阶段使用 Boot Protocol；操作系统加载后切到 Report Protocol。

设置IDLE时间将让设备在无变化时，在一定时间不对中断传输响应。

四，报告描述符

设置完配置后，主机根据HID描述符向接口发送标准获取描述符请求，请求报告描述符，wIndex包含接口号。

如果没有输入输出端口，主机也可以通过端点0，利用HID请求返回报告。

具体报告描述符的语法这里不展开（因为太多太杂了），这里只需要明确一个概念：报告描述符描述了HID设备传输的数据的功能和意义。

五，数据的传输

HID设备使用报告传输数据，数据的格式定义由报告描述符确定，使用中断传输，主机保证在某时间内进行一次查询。

报告分为输入和输出报告，分别由IN和OUT端点完成，使用什么报告由报告描述符决定。

以键盘为例，要实现键盘的功能需要同时使用IN和OUT，用于主机向键盘发送信号灯状态(大写锁定等)，键盘向主机发送按键状态。完成枚举后，主机每隔一段时间会发送IN、OUT令牌包来启动中断传输过程。在IN传输中，设备按照报告描述符的设定，准备好按键状态组合成几个字节的数据，然后发送给主机；在OUT传输中，设备接收来自主机的数据，并按照报告描述符的设定进行解释，提取对应状态灯的状态。

六，自定义HID

除了常见的鼠标键盘等HID设备可以直接作为操作系统的外设输入，还有一类HID设备不是任何外设，其功能由用户自定义，用户只能通过调用系统API与其进行数据交互。

定义CustomHID在报告描述符中定义HID类别为0x21即可，具体实现过程在下一篇文章中进行讲解。

参考文章

HID简介

USB HID设备类协议入门