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附录02 USB HID协议

约 3418 字大约 11 分钟

2026-03-20

1. USB 枚举过程

我们将一个USB设备插入Windows时，Windows识别这个设备的过程，称为USB枚举。

简单来说，当一个USB设备插入Host时，Host会先后获取设备的设备描述符和配置描述符。有了这两者，Host就能知道如何给一个USB设备供电，如何与其交换数据。

USB中文网: USB设备的枚举过程分析

设备描述符

你可以把它理解为USB设备的“身份证”，里面记录了设备的基本信息，比如生产厂商是谁（VID）、产品型号（PID）、支持哪种USB版本、设备属于哪一类（比如是U盘还是摄像头）。主机一拿到这个描述符，就知道“插进来的是个什么东西”。

windows系统中设备描述符的结构体定义如下：

struct _DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;           //设备描述符的字节数大小，为0x12 
    BYTE bDescriptorType;   //描述符类型编号，为0x01 
    WORD bcdUSB;            //USB版本号 
    BYTE bDeviceClass;      //USB分配的设备类代码，0x01~0xfe为标准设备类，0xff为厂商自定义类型 
                            //0x00不是在设备描述符中定义的，如HID 
    BYTE bDeviceSubClass;   //usb分配的子类代码，同上，值由USB规定和分配的 
    BYTE bDeviceProtocol;   //USB分配的设备协议代码，同上 
    BYTE bMaxPacketSize0;   //端点0的最大包的大小 
    WORD idVendor;          //厂商编号 
    WORD idProduct;         //产品编号 
    WORD bcdDevice;         //设备出厂编号 
    BYTE iManufacturer;     //描述厂商字符串的索引 
    BYTE iProduct;          //描述产品字符串的索引 
    BYTE iSerialNumber;     //描述设备序列号字符串的索引 
    BYTE bNumConfiguration; //可能的配置数量 
}

USB中文网: USB 设备描述符

配置描述符

它描述的是设备的一种“工作模式”。一个USB设备可以有好几种配置（比如一个设备既可以当键盘用，也可以当鼠标用），但同一时间只能激活其中一种。

配置描述符会说明激活这个模式需要多少电流、有多少个接口，可以理解为“设备准备用这种状态来工作”。

配置描述符中一般会包含接口描述符和接口关联描述符（可选）

配置描述符

windows系统中配置描述符的结构体定义如下：

struct _CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
  BYTE bLength;           //配置描述符的字节数大小，固定为9字节
  BYTE bDescriptorType;   //描述符类型编号，为0x02 
  WORD wTotalLength;     //配置所返回的所有数量的大小 
  BYTE bNumInterface;     //此配置所支持的接口数量 
  BYTE bConfigurationVale;   //Set_Configuration命令需要的参数值 
  BYTE iConfiguration;       //描述该配置的字符串的索引值 
  BYTE bmAttribute;           //供电模式的选择 
  BYTE MaxPower;             //设备从总线提取的最大电流 
}CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT

USB中文网:USB 配置描述符

接口描述符

它代表USB设备里的一个“功能单元”。比如一个带麦克风的耳机，控制音量的功能和传输声音的功能就是两个不同的接口，每个接口描述符会说明这个功能属于什么类型（音频、键盘等）、需要用到几个端点（数据通道），相当于告诉主机“设备提供了这个独立的功能”。

接口描述符中会包含端点描述符。

windows系统中接口描述符的结构体定义如下：

struct _INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;           //设备描述符的字节数大小，为0x09 
    BYTE bDescriptorType;   //描述符类型编号，为0x04
    BYTE bInterfaceNumber;  //接口的编号 
    BYTE bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号 
    BYTE bNumEndpoints;     //该接口使用端点数，不包括端点0 
    BYTE bInterfaceClass;   //接口类型 
    BYTE bInterfaceSubClass;//接口子类型 
    BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的协议 
    BYTE iInterface;         //描述该接口的字符串索引值 
}INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT

USB中文网: USB 接口描述符

接口关联描述符

当多个接口要一起配合才能实现一个完整功能时，就用这个描述符把它们“打包”成一个整体。比如耳机的控制接口和音频流接口其实是同一个设备功能的两部分，接口关联描述符就负责把这两个接口绑定在一起，避免主机把它们当作两个互不相关的设备来分别驱动。

接口关联描述符与其它描述符的关系图:

接口关联描述符与其它描述符的关系图

windows系统中接口关联描述符的结构体定义如下：

typedef struct _USB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR {
    UCHAR   bLength;            //长度为8
    UCHAR   bDescriptorType;    //USB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR_TYPE，值为0x0b
    UCHAR   bFirstInterface;    //第一个接口编号
    UCHAR   bInterfaceCount;    //接口总数量
    UCHAR   bFunctionClass;        //视频接口类代码CC_VIDEO，值0x0E
    UCHAR   bFunctionSubClass;    //视频子类接口代码 SC_VIDEO_INTERFACE_COLLECTION,值为0x03
    UCHAR   bFunctionProtocol;     //未用，必须为PC_PROTOCOL_UNDEFINED，值为0x00
    UCHAR   iFunction;            //字符串描述符索引
} USB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR, *PUSB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR;

USB中文网: USB 接口关联描述符

端点描述符

它是USB设备里真正用来传输数据的“通道”。每个接口下面可以包含若干个端点，每个端点描述符会说明这个端点的传输方向（是数据输入还是输出）、传输方式（是实时传输音频、还是可靠传输文件）、以及每次能传多少数据。可以把它理解为设备给主机留出的一个个“收发室”，主机通过这些指定的端点来和设备的某个具体功能交换数据。

windows系统中端点描述符的结构体定义如下：

struct _ENDPOIN_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;           //设备描述符的字节数大小，为0x7 
    BYTE bDescriptorType;   //描述符类型编号，为0x05
    BYTE bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性 
    BYTE bmAttribute;       //端点的传输类型属性 
    WORD wMaxPacketSize;   //端点收、发的最大包的大小 
    BYTE bInterval;         //主机查询端点的时间间隔 
} ENDPOIN_DESCRIPTOR_STRUCT ；

USB中文网: USB 端点描述符

2. USB HID协议

在上面的接口描述符中，如果这个接口是一个HID设备（bInterfaceClass为0x03）。那么它就会被识别为一个HID（Human Input Device）设备。

HID设备除了支持USB设备的5种标准描述符之外，还支持HID设备特有的3种描述符。这些描述符是：

USB标准描述符：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。 HID特有的描述符：HID描述符、报表描述符（Report）和实体描述符（Physical）

一个HID设备的接口描述符后会紧跟一个HID描述符，这个描述符内部一般包含一个HID报表描述符，描述了这个HID设备的类型（鼠标，键盘，游戏手柄等）以及它的汇报格式。

USB 中文网: HID 设备描述符关系

https://www.usbzh.com/article/detail-48.html

HID 描述符

HID 描述符的主要作用是用来识别 HID 通信所使用的额外描述符。下表是HID 描述符结构。

偏移量字段字节数数值类型说明
0bLength1Numeric描述符字节数
1bDescriptorType1Constant0x21 = HID描述符
2bcdHID2NumericHID规范版本号（BCD）
4bCountryCode1Numeric硬件设备所在国家的国家代码
5bNumDescriptors1Numeric类别描述符数目（至少有一个报表描述符）
6【bDescriptorType】1Constant该类别描述符的类型
7【wDescriptorLength】2Numeric该类别描述符的总长度

bcdHID：设备与其描述符所遵循的HID规范的版本号码，此数值是4个16进位的BCD格式字符。例如版本1.1的bcdHID是0110h。

bCountryCode：国家的识别码。如果不说明，该字段为0。

bDescriptorType：HID描述符附属的描述符的类型（报表或实体）。每一个 HID都必须至少支持一个报表描述符。一个接口可以支持多个报表描述符，以及一个或多个实体描述符。

HID描述符的偏移量为6和7的bDescriptorType和wDescriptorLength可以重复存在多个。

USB中文网: HID描述符

HID报表描述符（HID Report Map）

下面是一段标准的USB HID键盘的报表描述符

05 01 09 06 A1 01 05 07 19 E0 29 E7 15 00 25 01
75 01 95 08 81 02 75 08 95 01 81 03 75 01 95 05
05 08 19 01 29 05 91 02 75 03 95 01 91 03 75 08
95 06 15 00 25 65 05 07 19 00 29 65 81 00 C0

以下是这一端数据的解析：

Hex含义解析
05 01Usage Page (0x05) = Generic Desktop (0x01)选择 Generic Desktop 页，设备类型属于桌面控制
09 06Usage (0x09) = Keyboard (0x06)Usage = Keyboard
A1 01Collection (0xA1) = Application (0x01)Application Collection 开始
05 07Usage Page (0x05) = Keyboard (0x07)切换到 Keyboard Usage Page
19 E0Usage Minimum (0x19) = 0xE0modifier 起始：LeftCtrl
29 E7Usage Maximum (0x29) = 0xE7modifier 结束：Right GUI
15 00Logical Minimum (0x15) = 0x00逻辑最小值 0
25 01Logical Maximum (0x25) = 0x01逻辑最大值 1
75 01Report Size (0x75) = 0x01每个 modifier 1 bit
95 08Report Count (0x95) = 0x088 个 modifier
81 02Input (0x81) = 0x02Data(0x00) Var(0x02) Abs(0x00) → modifier 输入
75 08Report Size (0x75) = 0x088 bit
95 01Report Count (0x95) = 0x011 字节
81 03Input (0x81) = 0x03Const(0x01) Var(0x02) Abs(0x00) → reserved
75 01Report Size (0x75) = 0x01LED 1 bit
95 05Report Count (0x95) = 0x055 个 LED
05 08Usage Page (0x05) = LED (0x08)LED Usage Page
19 01Usage Minimum (0x19) = 0x01Num Lock
29 05Usage Maximum (0x29) = 0x05Kana
91 02Output (0x91) = 0x02Data Var Abs → LED 输出
75 03Report Size (0x75) = 0x03padding 3 bit
95 01Report Count (0x95) = 0x011
91 03Output (0x91) = 0x03Const → padding
75 08Report Size (0x75) = 0x08keycode 8 bit
95 06Report Count (0x95) = 0x066 键
15 00Logical Minimum (0x15) = 0x00最小键值
25 65Logical Maximum (0x25) = 0x65最大键值 101
05 07Usage Page (0x05) = Keyboard (0x07)Keyboard page
19 00Usage Minimum (0x19) = 0x00起始键值
29 65Usage Maximum (0x29) = 0x65结束键值
81 00Input (0x81) = 0x00Data Array Abs → 6 键数组
C0End Collection (0xC0)Collection 结束

该段Report Map定义了一个输入Report一个输出Report

输入Report，共8字节

Byte位名称说明
00Left Ctrlmodifier
01Left Shiftmodifier
02Left Altmodifier
03Left GUImodifier
04Right Ctrlmodifier
05Right Shiftmodifier
06Right Altmodifier
07Right GUImodifier
10-7Reserved保留
20-7Keycode 1按键
30-7Keycode 2按键
40-7Keycode 3按键
50-7Keycode 4按键
60-7Keycode 5按键
70-7Keycode 6按键

输出Report，共1字节

Byte位名称
00Num Lock
01Caps Lock
02Scroll Lock
03Compose
04Kana
05-7padding

USB 中文网: HID报表描述符

USB中文网: HID报表描述符原理解释

HID 类特定请求

HID 类特定请求，是 USB HID 设备在标准控制传输基础上，定义的一套类专属控制请求，主机通过这些请求来获取 HID 报告、设置协议、控制 idle 等。它们都走控制端点 0，属于 USB 控制传输里的类特定请求。

USB中文网: HID 类特定请求

HID Report

以上面的键盘为例，当Host获取了所有描述符后，能够识别该设备为一个键盘后，即可通过之前获取的端点与设备交互。一般HID设备的端点为中断端点，上面的键盘需要一个输入端点和一个输出端点。

假如我们在键盘上按下Ctrl + A，那么输入端点就会向主机汇报如下字节：

01 00 04 00 00 00 00 00
  • 01 表示左Ctrl被按下
  • 04 表示A被按下

假如我们按下了Capslock，改变了主机大小写锁定状态（例如锁定大写），主机会通过输出端点发送以下字节：

02

表示Capslock灯的状态为1，应该点亮，其他灯为0，应该熄灭

3. 实现步骤分析

枚举部分的实现步骤

实现步骤：

  1. 初始化 USB PHY、时钟、中断和 USB device controller。
  2. 准备设备描述符，填写 VID、PID、USB 版本、端点 0 最大包长和字符串索引。
  3. 准备配置描述符集合，包含配置描述符、接口描述符、HID 描述符和端点描述符。
  4. 准备 HID Report Descriptor，定义键盘输入报告格式。
  5. 准备字符串描述符，包括语言 ID、厂商名、产品名和序列号。
  6. 在端点 0 的 setup 请求处理函数中响应 GET_DESCRIPTOR。
  7. 正确处理 SET_ADDRESS，通常在 status stage 完成后再切换地址。
  8. 正确处理 SET_CONFIGURATION，进入 configured 状态后打开 HID 中断 IN 端点。

HID 通信的实现步骤

枚举完成后，键盘通信主要围绕 Input Report 和 Output Report。

实现步骤：

  1. 周期性扫描键盘矩阵，例如 1 ms 一次。
  2. 对每个按键做消抖，得到稳定的按下/释放状态。
  3. 根据 keymap 把物理键位映射成 HID keycode。
  4. 把 Ctrl、Shift、Alt、GUI 等修饰键填入 modifier。
  5. 把普通按键填入 keycode[6]。
  6. 如果当前报告与上一次不同，调用 HID 发送接口。
  7. 按键释放时必须发送空报告，否则主机会认为按键一直按下。
  8. 在发送完成回调里清除 busy 标志，避免上一个 IN 包还没完成就重复写端点。