Устройства hid human interface devices что это
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.
Устройства HID Human Interface Devices Windows 10
— HID-совместимая сенсорная панель.
— Microsoft Input Configuration Device.
— Устройство HID на шине I2C.
Далее, в свойствах устройства вы можете узнать и настроить:
Общие:
— Вы можете узнать тип устройства.
Драйвер:
— Вы можете узнать поставщика драйвера.
— Сведения о файлах драйвера.
— Вы можете обновить драйвер.
— Вы можете откатить драйвер к предыдущему.
— Можно отключить устройство.
— Можно удалить драйвер.
Сведения:
— Вы можете узнать значения свойств устройства.
— Выберите свойство и вам автоматически покажут его значение.
— Вы можете узнать характеристики, класс, код ошибки устройства и т.д.
События:
— Вы можете узнать события, которые происходили с устройством.
— Вы можете узнать дату и время события.
— Можно узнать описания и сведения событий.
— В конце нажмите на кнопку OK, чтобы сохранить сделанные изменения.
USB HID
USB HID (human interface device) class — класс устройств USB для взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства как клавиатура, мышь, игровой контроллер. Класс USB HID определен в нескольких документах, предоставляемых USB Implementers Forum, в частности, Рабочей группой по работе с устройствами.
Основной документ с дескрипторами класса: Device Class Definition for HID 1.11. В отдельных документах публикуются т.н. usage tables — списки кодов функций различных устройств ввода-вывода. [1]
Содержание
Устройства
Класс USB HID описывает устройства, которые используются практически в каждом современном компьютере. В нём существует множество предопределённых функций. Они позволяют производителям аппаратного обеспечения разрабатывать продукты, соответствующие спецификации USB HID, и ожидать, что они будут работать с любым программным обеспечением, которое так же поддерживает эти спецификации.
Точно такой же HID-протокол используется неизменённым в Bluetooth, в профиле взаимодействия с пользователем. [2] При чтении спецификации HID-профиля Bluetooth читателей просто направляют к документации USB HID. По этой причине эти устройства можно так же отнести к классу USB HID.
Клавиатуры
Клавиатуры — одни из наиболее популярных USB HID устройств. USB HID клавиатуры, как правило, имеют входной поток данных, который передаёт нажатия клавиш в компьютер и выходной поток, который передаёт текущий статус клавиатурных индикаторов от компьютера к клавиатуре. Стандарт PC 97 определяет, что BIOS компьютера должен определять USB HID клавиатуры и работать с ними. Стандарт разработан для того, чтобы эти клавиатуры возможно было использовать во время загрузки компьютера.
Компьютерная мышь — столь же популярное USB HID устройство, как и клавиатура. USB-мыши различаются по функционалу от простых однокнопочных до довольно сложных многокнопочных устройств. Большинство современных операционных систем поставляется с драйверами для стандартных HID мышей (наиболее распространённые современные мыши имеют две кнопки и колёсико, которое дублирует третью кнопку); мыши с более широким функционалом требуют драйверов от производителей.
Игровые контроллеры
Современные игровые контроллеры и джойстик, игровой руль часто являются USB HID устройствами. В отличие от устройств, которые подключаются через игровой порт, USB HID устройства обычно не требуют драйверов для нормальной работы. Почти все игровые устройства будут работать с использованием встроенных драйверов, поскольку они разрабатываются с использованием USB HID спецификаций.
Другие устройства
Помимо детальных спецификаций классических устройств ввода (типа клавиатур и мышек) стандарт HID определяет особый класс устройств без детальных спецификаций. Этот класс именуется USB HID Consumer Control и представляет по сути нерегламентированный канал связи с устройством. При этом устройство пользуется теми же стандартными для операционной системы драйверами что и мышка с клавиатурой. Таким образом можно создать USB устройство которое не требует создания и инсталляции специальных драйверов в большинстве распространенных компьютерных операционных систем.
Драйверы
Одно из преимуществ хорошо определенной спецификации, такой, как USB HID — это обилие драйверов устройств, доступных в большинстве современных операционных систем. USB HID класс и его базовые функции описаны в USB-IF документации, без какой-либо привязки к конкретному программному обеспечению. Из-за таких общих описаний разработчикам операционных систем легко включить функциональные драйверы для таких устройств как клавиатура, мышь и другие устройства взаимодействия с пользователем. Включение основных драйверов способствует более быстрому распространению этих устройств и упрощению установки конечными пользователями.
Логические спецификации
Функциональные характеристики
Примечательно то, что USB HID может быть использован как для описания работы самого устройства, так и для описания интерфейса устройства. Например, вполне допустимым будет использование USB устройства, имеющего два различных USB интерфейса одновременно (например, USB-телефон может использовать HID клавиатуру и USB аудио устройство для микрофона).
Интерфейс устройств также снабжен особым дескриптором, который определяет, является ли устройство загрузочным. Загрузочное устройство, строго соответствующее минимальным требованиям протокола, будет распознано и загружено BIOS. Каждый USB HID интерфейс связывается с хостом с использованием функции управления или функции прерывания.
Профиль HID
Попытку реализации HID на КПК, я начну с ознакомления с профилями Bluetooth.
Что же такое профиль в технологии Bluetooth?
Профиль — это, всего на всего, набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth и позволяющий устройству предоставлять или использовать эту возможность совместно с другими устройствами.
Так как мы рассматриваем профиль HID, то спецификация HID определена в «USB Device Class Definition for Human Interface Devices», (да-да, спецификация HID определена именно в документах USB). Bluetooth HID профиль должен использовать протоколы, процедуры и другие возможности, обозначенные именно в указанной спецификации.
Типичными примерами устройств, поддерживающих профиль HID, являются:
— клавиатуры и указывающие устройства, например мышь, трекбол, джойстик;
— оконечные устройства, например всевозможные ручки, переключатели, кнопки и слайдеры;
— устройства дистанционного контроля и управления, например пульты дистанционного управления, игровые устройства;
— устройства, не требующие действий от человека, но поддерживающие передачу данных в простом формате относительно возможностей HID, такие как: сканеры штрих-кода, термометры или вольтметры.
Класс устройств HID изначально был нацелен на устройства, взаимодействующие с человеком, однако этот класс хорошо применим к любым приложениям, требующим быстрые операции ввода-вывода с внешними интерфейсами и позволяющий устройствам описывать самих себя. Определение класса HID включает поддержку различных типов и способов вывода информации конечному пользователю. HID поддерживает инициализацию и управление описывающих самих себя устройств.
Спецификация USB включает концепцию, позволяющую вместо того, что бы иметь различные драйверы для каждого нового периферийного устройства, группировать вместе устройства, имеющие одинаковые характеристики представления данных (т.н. data reporting), в класс устройств и иметь единственный драйвер класса для каждой группы. Устройства, в свою очередь, имеют возможность описывать самих себя в драйвере класса, например, то, как они управляются и как именно они передают данные. Это позволяет отменить необходимость менять программное обеспечение драйвера для вновь разработанных устройств этого класса.
HID не специфичен относительно USB или другого типа транспорта передачи данных. Постепенно я буду описывать как использовать протокол HID поверх Bluetooth.
Информация об устройстве HID хранится в сегментах энергонезависимой памяти. Эти сегменты называются дескрипторами. Дескриптор интерфейса может идентифицировать устройство определить устройство, как принадлежащие к одному из конечного числа классов.
Класс устройств HID использует соответствующий драйвер класса HID для и извлечения и маршрутизации данных. Маршрутизация и извлечение данных осуществляется путем изучения дескрипторов устройства и данных, которые оно предоставляет.
Дескриптор класса устройства HID перечисляет другие имеющиеся дескрипторы и указывает из размер. Пример:
— дескриптор Report — описывает каждую часть данных, генерируемых устройством, и реальный размер этой части. Этот дескриптор, например, может определять элементы, описывающие какую либо позицию или состояние кнопки. Здесь информация элемента используется как для определения откуда маршрутизировать ввод, например, от мышки или от джойстика; или может использоваться для назначения функции ввода определенному программному обеспечению, например использовать ввод данных от джойстика для управления самолетом или танком :). Изучая элементы дескриптора Report, драйвер класса HID позволяет определять размер и состав данных, передаваемых от устройства HID.
— дескриптор Physical — устанавливает необязательные дескрипторы, которые предоставляют информацию о части или частях тела человека, используемых для активации элементов управления устройства.
На первый взгляд, то, что я здесь описал, кажется сложным. Мне тоже так казалось, когда я начал все это изучать. Надеюсь дальше все прояснится :).
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.