64位Windows環(huán)境下HID設(shè)備通訊問題的研究

崔陽

摘 要：針對64位Windows操作系統(tǒng)對HID設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊造成的新問題，首先簡要介紹了Windows環(huán)境下HID設(shè)備的性能特點(diǎn)和通訊機(jī)制，以此為基礎(chǔ)提出一個(gè)面向64位Windows的HID設(shè)備通訊接口，并在Wave Panel上進(jìn)行了編程實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明該接口的通用性較強(qiáng)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)64位Windows下HID設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊功能。

關(guān)鍵詞：HID；通訊接口；中斷傳輸；64位Windows

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：To solve the new problems of communication between human interface devices （HID） and the computer applications caused by 64-bit Windows，characteristics and the communication mechanism of HID in Windows environment are introduced first，based on which a communication interface for 64-bit Windows is designed and programmed on Wave Panel.Results show that communication function in 64-bit Windows environment can be better achieved through the interface.

Keywords：HID；communication interface；interrupt transmission；64-bit Windows

1 引言（Introduction）

HID（Human Interface Device，人機(jī)接口設(shè)備）是一類低速USB設(shè)備，具有使用方便、響應(yīng)迅速、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。典型的有鍵盤、鼠標(biāo)、游戲桿等。

HID設(shè)備研發(fā)和使用中面臨的重要問題之一是設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊。Windows 7的發(fā)布標(biāo)志著Windows操作系統(tǒng)開始從32位向64位過渡，因此有必要對64位Windows環(huán)境下HID設(shè)備通訊程序的一些新問題進(jìn)行研究。

2 HID設(shè)備的性能特點(diǎn)（Performance characteristics of HID）

HID設(shè)備雖然也屬于USB設(shè)備，但還具備一些自身特點(diǎn)，主要有：

（1）單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，且以設(shè)備狀態(tài)信息和控制信息為主。單次傳輸數(shù)據(jù)通常在8字節(jié)到1024字節(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在報(bào)表（Report）結(jié)構(gòu)內(nèi)[1]。

（2）使用輪詢方式。HID設(shè)備會(huì)在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)檢測一次設(shè)備，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)有變化則會(huì)生成輸入報(bào)表，并發(fā)送到主機(jī)[2]。

（3）多數(shù)采用中斷方式通訊。這種方式適用于周期性、延遲低的數(shù)據(jù)[3]，符合HID設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)。

3 HID設(shè)備的通訊過程（Communication process of HID）

Windows 98及之后的各版本W(wǎng)indows已包含HID驅(qū)動(dòng)程序[4，5]，應(yīng)用程序可直接調(diào)用相關(guān)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)HID設(shè)備的通訊。該過程可分為以下四個(gè)模塊：

（1）設(shè)備識(shí)別和打開。一臺(tái)主機(jī)有可能同時(shí)連接多臺(tái)HID設(shè)備，因此在通訊前必須確定要進(jìn)行通訊的設(shè)備并打開。HID設(shè)備以廠商ID（VID）、產(chǎn)品ID（PID）和產(chǎn)品版本號（PVN）三項(xiàng)屬性值作為其唯一標(biāo)識(shí)[6]。

（2）讀報(bào)表。讀報(bào)表是指HID設(shè)備向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)。對以中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)的HID設(shè)備而言，應(yīng)用程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)異步調(diào)用的讀報(bào)表線程。同時(shí)為減輕系統(tǒng)負(fù)載，該線程在HID設(shè)備沒有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)阻塞。當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)恢復(fù)運(yùn)行，將輸入數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，并進(jìn)行解析。之后線程將再次阻塞。讀報(bào)表線程在應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)束前將一直存在。

（3）寫報(bào)表。寫報(bào)表是指主機(jī)向HID設(shè)備輸出數(shù)據(jù)。但該功能不是必需的，視HID設(shè)備而定[7]。寫報(bào)表線程比較簡單，只須將要輸出的數(shù)據(jù)先復(fù)制到一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，然后輸出到HID設(shè)備即可。數(shù)據(jù)通常是一些控制信息和狀態(tài)信息[8]。

（4）設(shè)備關(guān)閉。當(dāng)主機(jī)與HID設(shè)備的通訊結(jié)束后必須將HID設(shè)備關(guān)閉。

4 64位Windows環(huán)境中HID設(shè)備通訊模式 （Communication mode of HID in 64-bit Windows environment）

通過上述討論，Windows環(huán)境下HID設(shè)備的識(shí)別和打開主要是通過調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。但64位Windows操作系統(tǒng)不支持這些API函數(shù)，也沒有提供相應(yīng)的API函數(shù)。因此必須對設(shè)備識(shí)別與打開模塊的功能進(jìn)行分解。思路是將涉及API函數(shù)的設(shè)備識(shí)別功能與設(shè)備打開功能相分離，并在32位環(huán)境下將前者編譯為可執(zhí)行程序，供后者在64位環(huán)境下調(diào)用。因此，應(yīng)將設(shè)備識(shí)別與打開模塊再細(xì)分為設(shè)備識(shí)別和設(shè)備打開兩個(gè)獨(dú)立的功能模塊。

4.1 設(shè)備識(shí)別

HID設(shè)備識(shí)別模塊主要是通過調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)對主機(jī)各USB接口上連接的設(shè)備進(jìn)行三項(xiàng)屬性值對比，完全符合的即為當(dāng)前要打開的HID設(shè)備。用到的API函數(shù)主要有HidD_GetHidGuid（）、SetupDiGetClassDevs（）、SetupDiEnumDeviceInterfaces（）、SetupDiGetDeviceInterfaceDetail（）、HidD_GetAttributes（）、SetupDiDestroyDeviceInfoList（）等。

4.2 設(shè)備打開

設(shè)備打開模塊的功能相對簡單，只需首先從外部文件中獲取設(shè)備識(shí)別模塊中保存的HID設(shè)備路徑，再調(diào)用ReadFile（）以帶讀寫訪問設(shè)置的異步方式將設(shè)備打開，并返回設(shè)備句柄即可。

4.3 通訊接口的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

以上述討論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的HID設(shè)備通訊接口，起名為CHidComm64。該接口包括：

（1）DWORD變量VID、PID和PVN：保存HID設(shè)備的三項(xiàng)屬性值。

（2）UCHAR類型數(shù)組ReadBuffer和WriteBuffer：分別表示HID設(shè)備的輸入報(bào)表和輸出報(bào)表。

（3）UCHAR類型數(shù)組DevicePath，表示HID設(shè)備路徑。

（4）ReadReportThread（）和WriteReportThread（）：用于創(chuàng)建讀報(bào)表線程和寫報(bào)表線程，當(dāng)HID設(shè)備沒有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，線程被阻塞；當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，線程恢復(fù)運(yùn)行，這樣就可以降低系統(tǒng)負(fù)載、提高運(yùn)行效率。

（5）成員函數(shù)SearchDevice（）、OpenDevice（）、CloseDevice（）函數(shù)：分別實(shí)現(xiàn)HID設(shè)備識(shí)別、打開和關(guān)閉。

在連接不同的HID設(shè)備時(shí)，只需要重新設(shè)置VID、PID和PVN值以及ReadBuffer、WriteBuffer的長度，不用對HID設(shè)備識(shí)別、打開、讀寫報(bào)表等功能進(jìn)行修改，從而提高接口的通用性。

實(shí)驗(yàn)以視頻色彩編輯軟件專用HID設(shè)備Wave Panel為平臺(tái)，編程語言為C++，編譯環(huán)境為64位Windows 7操作系統(tǒng)下的Visual Studio 2010。Wave Panel有按鍵、解碼器和二維跟蹤球三種控制器，每40ms對所有控制器輪詢一次。若任何一個(gè)控制器的狀態(tài)在期間發(fā)生變化，就會(huì)生成輸入報(bào)表發(fā)送給主機(jī)。同時(shí)Wave Panel的液晶屏也可以顯示主機(jī)的狀態(tài)信息。

圖1是主機(jī)應(yīng)用程序調(diào)用CHidComm64接口實(shí)現(xiàn)與Wave Panel通訊的界面。應(yīng)用程序以十六進(jìn)制形式將Wave Panel發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示在界面上，同時(shí)顯示控制器狀態(tài)變化的情況。

5 結(jié)論（Conclusion）

64位Windows操作系統(tǒng)不再支持原有的HID設(shè)備通訊API函數(shù)，因此有必要對HID設(shè)備與主機(jī)的通訊流程做出改進(jìn)。所設(shè)計(jì)的CHidComm64通訊接口將HID設(shè)備識(shí)別與設(shè)備打開功能相分離，從而能夠較好地實(shí)現(xiàn)在64位Windows環(huán)境下的通訊功能。今后的工作將主要研究對該接口功能的完善方面。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Device Class Definition for Human Interface [EB/OL]. http：//www.usb.org/developers/devclass_docs/HID1_11.pdf.

[2] 胡曉軍，張愛成.USB接口開發(fā)技術(shù)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[3] 蔡欣榮.基于ARM的HID類自定義功能鍵盤研究與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（5）：14-18.

[4] 王恒升，匡洋，彭宏道.USBHID類設(shè)備小驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[J].控制工程，2010，17（6）：815-819.

[5] 時(shí)向衛(wèi)，李崢，張少武.Win2000/XP下USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（21）：5562-5565.

[6] Jan AXELSON.USB開發(fā)大全（第4版）[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[7] 劉力，等.基于HID類的USB人機(jī)接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2003，25（3）：82-85.

[8] 王繼剛，等.虛擬化環(huán)境下的USB設(shè)備訪問方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（5）：1439-1442.

作者簡介：

崔 陽（1979-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：知識(shí)工程與知識(shí)發(fā)現(xiàn).