HID设备及USB

HID（Human Interface Device）是计算机与人类交互的接口设备的标准，如键盘、鼠标、游戏控制器等。HID标准由USB规范定义，旨在为这些设备提供一种统一且易于实现的方式进行通信。HID协议不仅限于USB设备，也可以通过蓝牙等其他传输方式工作。

HID—键鼠工作原理

键盘工作原理

以 Windows 系统下 USB HID 设备为例：

1️⃣ 键盘基础工作原理

✅ 键盘做的事：

• 通过扫描键盘矩阵，检测哪个按键被按下；
• 转换为 HID 报文格式；
• 等待主机通过 USB IN 请求轮询，再将 HID 报文响应给主机。

✅ HID 报文内容（8字节）：

[Modifier][Reserved][Key1][Key2][Key3][Key4][Key5][Key6]

• 同一时间最多报告 6 个按键（不包括修饰键）；
• 修饰键（Ctrl、Alt、Shift等）在第一个字节中以位表示；
• 报文表示"当前所有被按下的键"。

2️⃣ 报文何时发送？

✅ 键盘本身不会"主动发送"报文，而是主机持续发送 IN 请求，键盘在被轮询到时返回状态数据：

键盘内部工作原理模拟：

• 维护一个内部缓冲区，用于存储当前键盘状态，当有状态变化时新的键盘状态被写入这个缓冲区（缓冲区包含修饰键状态和最多6个普通按键的键值）
• 主机以固定间隔（通常是8ms或更短）发送IN令牌包请求报告，键盘中断处理程序接收到这个请求后，检查是否有新的报告需要发送
  • 如果有新报告，则从缓冲区读取并发送
  • 如果没有变化，可能会发送NAK

bool tud_hid_keyboard_report(uint8_t report_id, uint8_t modifier, uint8_t keycode[6])
{
  // 将键盘状态保存到内部缓冲区
  _kbd_report.modifier = modifier;
  memcpy(_kbd_report.keycode, keycode, 6);
  
  // 标记有新报告需要发送
  _kbd_new_report = true;
  
  // 尝试检查USB端点状态，如果端点空闲，将数据写入端点缓冲区，并标记为"就绪"。
  // 如果USB总线忙，则等待下一次轮询
  return tud_hid_report(report_id, &_kbd_report, sizeof(_kbd_report));
}

当收到主机的IN请求时才会真正发送数据报：

// 简化的伪代码，展示键盘发送数据的处理逻辑
void handle_usb_interrupt(void) {
  if (is_in_token_received() && _kbd_new_report) {
    // 发送缓冲区中的报告
    usb_send_data(_kbd_report, sizeof(_kbd_report));
    _kbd_new_report = false;
  }
}

鼠标和键盘的工作原理基本相同，都遵循USB HID协议的规则，不能真正"主动"发送数据。只是保存状态，主机的请求到来后才真正发送

3️⃣ USB 通信细节

✅ 轮询机制说明：

• USB HID 是 中断传输类型，但不是真正的"中断"，而是主机轮询设备；
• 主机会以 HID 描述符中设置的轮询间隔（如 8ms、2ms、1ms）向键盘发起 IN 请求；
• 键盘仅在主机发起 IN 请求时响应报文；
• 无键变化时，通常会返回全零报文（如果所有键都已释放），或返回 NAK（表示没有新数据）；
• 键盘不能主动发送数据，只能响应主机请求。

4️⃣ 操作系统如何处理输入？

Windows系统下的常见输入流程：

键盘 → USB 报文 → HID 驱动 → 内核事件 → 应用程序消息

• GetAsyncKeyState(key)：返回当前键是否按下、是否曾按下过；游戏引擎通常每帧轮询判断输入；
• RawInput：低级别 API，可读取 HID 层原始报文，支持多设备、原始码、来源识别等。

1. 使用定时器或主循环控制"按下-松开"周期；
2. 模拟生成交替的按下/松开报文；
3. 避免系统自身的重复机制影响。

5️⃣ 游戏/应用程序如何监听按键？

• 游戏逻辑以"每帧"为单位（如 60FPS = 每帧约 16.67ms）；

• 每帧轮询当前按键状态，判断是否：

  • 首次按下 → 触发事件；
  • 持续按住 → 维持某状态；
  • 松开 → 触发释放逻辑；

鼠标的运作机制

🖱️ 鼠标也属于 HID 设备，通信逻辑和键盘类似，但使用习惯不同。

🧩 报文结构（常见为3～5字节）：

Byte 0: 按键位图（bit0=左键，bit1=右键，bit2=中键）
Byte 1: X轴相对位移（int8）
Byte 2: Y轴相对位移（int8）
Byte 3: 滚轮（int8，可选）
Byte 4: 水平滚轮（int8，可选）

鼠标与键盘行为对比：

⛓️ 轮询周期说明

• 鼠标轮询间隔由设备端配置（HID 描述符中的 bInterval）；
• 常见为 8ms（125Hz），游戏鼠标常为 1ms（1000Hz）；
• 主机固定时间发出 IN 请求，设备持续回应当前状态；
• 没有变化时，也会回应全 0 或返回 NAK。

📥 驱动处理流程

1. 鼠标响应主机 IN 请求 → 发送 HID 报文；
2. 报文被 HID 驱动解析（hidclass.sys）；
3. 数据进入 input stack，由 mouhid.sys / mouclass.sys 分发；
4. Windows 消息系统生成 WM_MOUSEMOVE, WM_LBUTTONDOWN 等事件；
5. 或者通过 RawInput 获取原始数据（带来源和原始码等信息）。

🧪 想模拟真实鼠标，务必注意：

1. 报文持续性：主机轮询时设备必须一直有响应（哪怕是无变化）；
2. 状态保持：如左键持续按下，每个报文都要携带左键按下状态；
3. 移动值为相对坐标：如 int8_t，值越大表示移动越快；
4. 频率匹配真实设备：如模拟 1ms 间隔响应，更贴近真实鼠标；
5. 保持节奏一致：突变、卡顿可能导致主机识别异常设备；
6. 人工轨迹模拟：真实人类移动鼠标时有加速和减速过程，模拟时应考虑这些特性。

HID 设备工作流程

1. 初始化阶段
   主机插入设备 → 发送 GET_DESCRIPTOR 请求 → 设备返回 HID 描述符（含 Report Descriptor）

2. 数据传输阶段
   主机定期发送 IN 请求 → 设备根据当前状态返回 Input Report：

   • 键盘：修饰键 + 按键列表（最多6键）；
   • 鼠标：按键 + 移动量 + 滚轮等；

下图是 Windows下USB HID设备（键鼠）报文流动路径：

Windows 下 USB HID 数据流动路径

USB 设备
 → USB 协议栈（usbhub.sys, usbport.sys）
 → HID 驱动（hidclass.sys）
 → HID 子驱动（kbdhid.sys / mouhid.sys）
 → 键盘/鼠标类驱动（kbd.sys / mouclass.sys）
 → 内核用户桥接（Win32k.sys）
 → 用户程序消息队列

相关 API 概览

1. GetAsyncKeyState()

   • 查询内核中"键盘状态表"，不依赖消息队列；
   • 可在窗口未激活时探测按键状态；
   • 来源路径：
     text 复制

     USB设备 → HID驱动 → kbd.sys（更新状态表） → GetAsyncKeyState()

2. RawInput

   • 读取未经 OS 转换的原始 HID 报文；
   • 可判断输入来源、区分多个设备、访问扫描码；
   • 来源路径：
     text 复制

     USB设备 → HID驱动 → hidclass.sys → RawInput

3. WM_KEYDOWN 等消息

   • 传统 Windows 消息系统中的输入消息；
   • 路径：
     text 复制

     USB设备 → HID驱动 → kbd.sys/mouclass.sys → Win32k.sys → 应用程序消息队列

设备VID/PID

Vendor ID (VID) 和 Product ID (PID) 是用于唯一标识USB设备的两个重要参数。它们在设备连接到计算机时被操作系统用来识别和区分不同的硬件设备。

• VID代表厂商识别码（Vendor Identification），是由USB实施者论坛（USB Implementers Forum, USB-IF）分配给每个USB设备制造商的一个16位数字代码
• PID代表产品识别码（Product Identification），同样是一个16位数字代码，但这个编号是由设备制造商自行分配的，用于识别其生产的特定型号或版本的产品

Windows系统下 获取键盘/鼠标的 Vendor ID (VID) 和 Product ID (PID)

1. 通过设备管理器：

   • 打开设备管理器 → 展开键盘或鼠标和其他指针设备。
   • 右键目标设备 → 属性 → 详细信息 → 选择硬件ID。
   • 找到类似HID\VID_1234&PID_5678的字符串，其中1234是VID，5678是PID。

2. 使用Python代码扫描（推荐）：

   python 复制

   import hid
   
   # 列出所有HID设备
   for device in hid.enumerate():
       print(f"设备名: {device['product_string']}")
       print(f"  VID: {device['vendor_id']:04X}")
       print(f"  PID: {device['product_id']:04X}")
       print("-" * 50)

HID相关工具

🎯 HID 报文监控工具（USB 层）

🔧 CH9329 / HID 相关调试工具（来自 WCH 官方）

🧰 键鼠事件监控工具（非 HID 报文级）

🧱 HID 开发辅助（库）

Universal Serial Bus

USB全称为Universal Serial Bus（通用串行总线），是一种快速、灵活的总线接口

更多关于USB的介绍参照，USB官网：https://usb.org/， USB中文网：https://www.usbzh.com/

USB（Universal Serial Bus）设备按照功能可分为两大类：集线器（Hub） 和 功能设备（Function Device）。它们在 USB 架构中扮演不同的角色，共同构建 USB 的树形拓扑结构。

USB集线器（Hub）

作用：扩展 USB 接口数量，允许连接多个设备（如 USB 分线器）

• 层级关系：
  • 主机（Host）连接 根集线器（Root Hub）。
  • 根集线器可级联多个 外部集线器（External Hub），最多支持 5 级层级（主机 + 4 级 Hub）。
• 供电方式：
  • 自供电（Self-powered）：依赖外部电源，可提供更大电流（如台式机 USB Hub）。
  • 总线供电（Bus-powered）：依赖 USB 总线供电（如笔记本 USB 分线器）。

• Hub Descriptor：描述集线器特性（如端口数量、供电模式）。
• Class Code：集线器的设备类代码为 0x09（USB Hub Class）。

USB功能设备

USB功能设备（Function Device）提供具体功能（如存储、输入、音频等），直接与主机通信。

常见典型设备：

• HID 设备：键盘、鼠标（Class Code = 0x03）。
• Mass Storage：U 盘、移动硬盘（Class Code = 0x08）。
• CDC（通信设备）：串口转换器（Class Code = 0x02）。
• Audio/Video：麦克风、摄像头（Class Code = 0x01/0x0E）。

功能设备的分类

功能设备的描述符

• Device Descriptor：设备的基本信息（厂商 ID、产品 ID）。
• Configuration Descriptor：设备的配置（接口、端点）。
• Interface Descriptor：功能定义（如 HID、Mass Storage）。
• Endpoint Descriptor：数据传输方式（IN/OUT 端点）。

复合设备与组合设备

复合设备（Composite Device）与组合设备（Compound Device）

复合设备：一个物理设备包含 多个逻辑功能（通过多个 Interface 实现）。

• 示例：
  • USB 耳机（音频 + 麦克风）。
  • 带指纹识别的键盘（HID + Biometric）。
• 驱动加载：主机为每个 Interface 加载独立驱动。

组合设备：内部集成 Hub + 功能设备，表现为一个设备。

• 示例：
  • 某些 USB 网卡（Hub + 以太网功能）。
  • 多功能扩展坞（Hub + HDMI + 存储）。
• 硬件实现：芯片内部集成 Hub 控制器和功能模块。

配置/接口/端点

USB 设备采用分层结构描述其功能，从高到低依次为：设备（Device）→ 配置（Configuration）→ 接口（Interface）→ 端点（Endpoint）。这种层级关系通过 描述符（Descriptors） 在枚举过程中传递给主机，以确定设备的通信方式和工作模式。

1. 设备（Device） 是 USB 连接的物理实体（如 U 盘、键盘），每个设备有唯一的 设备地址（Address）。设备通过 设备描述符（Device Descriptor） 向主机报告基本信息。

设备描述符（Device Descriptor）

• 主机通过 GET_DESCRIPTOR 请求获取设备描述符，确定设备的 基本能力 和 最大数据包大小（bMaxPacketSize0）。
• 设备在枚举阶段默认使用地址 0，主机通过 SET_ADDRESS 为其分配新地址。

2. 配置（Configuration） 是设备的一种工作模式（如高功耗模式/低功耗模式），同一时间只能激活一个配置。配置通过 配置描述符（Configuration Descriptor） 描述其特性。

配置描述符

• 主机通过 GET_DESCRIPTOR 请求获取配置描述符，了解设备的 接口数量 和 功耗需求。
• 一个设备可以有多个配置（如摄像头的高分辨率模式和省电模式），但主机只能激活其中一个。

为什么需要多配置？: 适应不同功耗或功能需求（如设备在电池模式下关闭某些功能）

3. 接口（Interface） 代表设备的一种独立功能（如键盘的按键输入、LED 背光控制）。复合设备（Composite Device）通过多个接口实现多功能（如 USB 耳机包含音频播放和麦克风输入）。

接口描述符（Interface Descriptor）

• 主机根据 bInterfaceClass 加载对应的驱动程序（如 0x08 对应 Mass Storage 驱动）。
• 一个接口可以包含 多个备用设置（Alternate Setting），用于动态调整功能（如摄像头切换分辨率）。

复合设备的接口分配：复合设备的每个接口独立编号（如 Interface 0 为键盘，Interface 1 为触摸板）

4. 端点（Endpoint） 是设备与主机通信的逻辑通道，每个端点有唯一的 端点地址（Endpoint Address）。端点 0（Endpoint 0） 是默认控制端点，用于枚举和配置。

端点描述符（Endpoint Descriptor）

主机通过端点地址（如 0x81 表示 IN 端点 1）与设备交换数据。 每个端点独立工作，例如：

• 键盘使用 中断 IN 端点 报告按键。
• U 盘使用 批量 IN/OUT 端点 传输文件。

端点 0 的特殊性：所有 USB 设备必须支持 端点 0，用于控制传输（枚举和配置）

USB设备枚举过程

USB 设备插入主机后，主机通过 枚举（Enumeration） 过程识别设备并加载合适的驱动程序。枚举过程是 USB 通信的基础，涉及多个标准请求和描述符交换。

USB 设备状态

USB 描述符（Descriptors）

USBPcap抓包实践

要使用Wireshark+USBPcap抓包，安装Wireshark时要手动勾选USBPcap才能使用，安装重启后打开Wireshark会出现USBPcap选项：

可能会出现多个USBPcap接口（如USBPcap1~USBPcap4），这是因为当电脑中存在多个USB根集线器（Root Hub）时，每个根集线器会对应一个独立的USBPcap接口。

通常捕获 USBPcap1 或 USBPcap2 即可，可自行逐一尝试

Wireshark抓取USB数据包示例及各个字段的含义：

设备地址解析：USB设备地址中的每一位数字代表的是设备在USB树形结构中的位置：

• 第一位数字：表示该设备连接到哪个根集线器（Root Hub）。例如，1意味着它直接连接到了第一个根集线器。
• 第二位数字：表示该设备连接到了前一级设备的哪个端口。比如，3意味着设备连接到了上一级设备的第三个端口。
• 第三位数字：对于复合设备（Composite Device），这个数字代表的是接口号。对于非复合设备，这个值通常是0。

因此，一个完整的设备地址如1.3.0可以解读为：设备位于第一个根集线器下，通过第三个端口连接，并且不是复合设备的一部分（因为接口号为0）。

注意：这里的地址并不直接对应于物理上的USB接口

USB Request Block

URB（USB Request Block） 是 USB 协议栈中的核心数据结构，用于描述 主机（Host）与设备（Device）之间的通信请求

通过 Wireshark 中解析 USB 数据包的核心内容如下:

IRP Information 是一个标志位字段，用于描述请求的方向和其他信息。

• 0000 000.：保留位，未使用。
• .... ...0：方向为 FDO -> PDO（从功能驱动程序对象到物理驱动程序对象） .... ...1：方向为 PDO -> FDO（从物理驱动程序对象到功能驱动程序对象）

PDO:物理驱动程序对象(Physical Driver Object)，FDO:功能驱动程序对象(Function Driver Object)

URB Transfer Type 表示传输的类型。示例：

bInterfaceClass 表示设备的接口类，用于描述设备的功能类型。

• Wireless Controller (0xe0)：无线控制器类（如蓝牙适配器）。
• Mass Storage (0x08)：存储设备类（如 U 盘）。
• HID (0x03)：人机接口设备类（如键盘、鼠标）。

Endpoint 的传输方向

在 USB 协议中，Endpoint（端点） 的传输方向是 从设备视角 定义的，与主机和设备的请求-响应模式无关。具体规则如下：

• 误区：认为 IN 是主机请求，OUT 是设备响应。
• 纠正：方向是固定的，由端点描述符定义，与请求-响应逻辑无关。

URB Function

URB 的 Function 字段标识其具体操作类型，以下是常见分类（基于 Windows 和 Linux 内核定义）

1. 数据传输类

• URB_FUNCTION_CONTROL_TRANSFER， 0x0002 : 控制传输请求，用于设备枚举、配置、状态查询等操作 。例：获取设备描述符（GET_DESCRIPTOR）

• URB_FUNCTION_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER， 0x0009 ：执行批量或中断传输。例： U盘读写、鼠标/键盘数据上报

• URB_FUNCTION_ISOCHRONOUS_TRANSFER， 0x000a ：等时传输，适用于实时流数据（如音频/视频）例：摄像头视频流

2. 设备管理类

3. 状态与特性管理类

4. 端点与管道管理类

5. 厂商与类特定功能

USB监听(hidapi)