蓝牙HID说明-程序员宅基地

技术标签： 嵌入式硬件  

蓝牙HID说明

本章主要围绕BLE的HOGH进行说明，网上很多文档讲到HID都要说到USB的HID，让初学者一开始既要看理解蓝牙GATT Service的概念，又要去理解USB的端点概念。实话来说本人刚去学习时也经常需要尝试去理解这两者的关系，很是头大。

针对这一情况，本文主要围绕于蓝牙HOGH来对HID进行说明，让大家对这个东西有个整体认识，具体像report id等USB细节东西给出如何查找USB SPEC的方法。

HID主要完成的工作就是完成：鼠标/键盘等HID和PC/手机等主机的数据通信，数据通信的方向有单向也有双向的。

HID设备通讯协议有两种，分别是HID Boot Protocol和HID Report Protocol。其中HID Boot Protocol是一种通用协议，可用于交换所有HID设备的数据，但是它不支持多个并发数据输入输出；而HID Report Protocol是一种自定义协议，不同的HID设备可以使用不同格式的报告描述符和报告协议来进行数据传输，并支持多个并发数据输入输出。

HID Report Protocol

数据包格式需求-Report Map

要实现HID数据的传输，必须两者协商好一个数据包格式。而HID设备的种类多种多样，所要上报的数据格式/长度各不相同，如只有3个按键的键盘，或者全功能键盘，其所需发送的数据格式是不同的。

HID设备要满足各种稀奇古怪的需求。在HID中是通过report map来定义数据包格式。

image-20230914192931449

image-20230914193015577

一个鼠标的Report Map长成下面这样。

下面这种Report Map如何看呢，HID Usage Tables 1.4 | USB-IF，其实就是对照这个文档来看。一般我们用工具生成的Report Map都有注释，实话说我到现在还没特别去看里面的数据定义，这个表也是网上随便下载的。

要看懂这个Report Map，不在本文的范围内，可以去看HID 报告描述 2_hid用图表_饭小粒的博客-程序员宅基地这个文章，讲得不错。

这里直接给结果，就是上报5个字节的数据，有鼠标的按键（其实用了5bit，Button1-5），还有数据XYZ坐标移动数据和Wheel滚轮数据。在特定的Characteristic上报，主机就会按照这个格式解析数据。

image-20230914203227230

    /* mouse */
    0x05, 0x01,           // Usage Page (Generic Desktop)
    0x09, 0x02,           // Usage (Mouse)
    0xA1, 0x01,           // Collection (Application)
    0x09, 0x01,           //     Usage (Pointer)
    0xA1, 0x00,           //     Collection (Physical)
    0x05, 0x09,           //         Usage Page (Button)
    0x15, 0x00,           //         Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,           //         Logical Maximum (1)
    0x19, 0x01,           //         Usage Minimum (Button 1)
    0x29, 0x05,           //         Usage Maximum (Button 5)
    0x75, 0x01,           //         Report Size (1)
    0x95, 0x05,           //         Report Count (5)
    0x81, 0x02,           //         Input (Data,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x03,           //         Input (Cnst,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x05, 0x01,           //         Usage Page (Generic Desktop)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x30,           //         Usage (X)
    0x09, 0x31,           //         Usage (Y)
    0x09, 0x32,           //         Usage (Z)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x38,           //         Usage (Wheel)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x01,           //         Report Count (1)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0xC0,                 //     End Collection
    0xC0,                 // End Collection

复合设备需求-Report ID

HID设备多种多样，现在的产品已经不像是上述的简单HID设备了，而是类似下图这种复合功能设备。既有基本的鼠标/键盘功能，还有触摸板等功能。也就是表现成多种不同功能的设备。

image-20230914194138471

那按照大家的理解，那不同功能设备发不同数据包不就好了，直接定义多个Report Map不就好了？但是需要注意的是，一个Report Map对应蓝牙的一个Characteristic节点，但是在USB却是对应一个Interface。

蓝牙的Service下的Characteristic的数量其实还好，基本都是软件做的，但是USB设备的Interface/Endpoint基本都是硬件做的，也就是说数量是有限的，如果设备只有1个Endpoint的话，要实现4个功能咋办。

HID在Report Map中引入了Report ID的概念，也就是1个Report Map中可以有多个Report ID，这样只要在每笔包之前加入Report ID，就可以在一个Characteristic/Endpoint中实现多种功能需求。

同样拿上面数据的例子来说，数据格式不变的情况下，只是加了一个Report ID (4)，数据包格式如下，只是最开始多了一个字节的Report ID，值为4，其他不变。

同一个Report Map多个Report ID的数据包格式各不相同，长度也各不相同。

image-20230914203612997

    /* mouse */
    0x05, 0x01,           // Usage Page (Generic Desktop)
    0x09, 0x02,           // Usage (Mouse)
    0xA1, 0x01,           // Collection (Application)
    0x85, 0x04,           //     Report ID (4)
    0x09, 0x01,           //     Usage (Pointer)
    0xA1, 0x00,           //     Collection (Physical)
    0x05, 0x09,           //         Usage Page (Button)
    0x15, 0x00,           //         Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,           //         Logical Maximum (1)
    0x19, 0x01,           //         Usage Minimum (Button 1)
    0x29, 0x05,           //         Usage Maximum (Button 5)
    0x75, 0x01,           //         Report Size (1)
    0x95, 0x05,           //         Report Count (5)
    0x81, 0x02,           //         Input (Data,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x03,           //         Input (Cnst,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x05, 0x01,           //         Usage Page (Generic Desktop)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x30,           //         Usage (X)
    0x09, 0x31,           //         Usage (Y)
    0x09, 0x32,           //         Usage (Z)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x38,           //         Usage (Wheel)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x01,           //         Report Count (1)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0xC0,                 //     End Collection
    0xC0,                 // End Collection

数据包如何传输-Report(0x2A4D)

BLE是通过HID Service来实现数据收发的，蓝牙SPEC包含这两个：Human Interface Device Service | Bluetooth Technology Website和HID over GATT Profile | Bluetooth Technology Website，一个是对Service的描述，另外一个是Profile的描述。

数据是通过HID Service中的Report Characteristic来收发的。和USB不同，蓝牙的Characteristic资源充足，所以每个Report ID独有一个。但是同样的，蓝牙没有Interface的概念，只维护了一张Report Map。（如果有多个HID Service会怎么样？）

主要就是一个Report Reference Descriptor(0x2908)节点会声明其Report ID是多少，然后Value节点根据双向传输还是单向传输，定义其属性。

需要注意的是，Report Type定义的方向性一般只定义Input或Output，并不能同时使用。当一个Report ID既支持Input又支持Output时，需要声明2个Report Characteristic，其Report ID相同，而Report Type一个是Input，一个是Output。

image-20230914204935414

Report Map如何传输-Report Map(0x2A4B)

Report Map在蓝牙传输是通过Report Map(0x2A4B) Characteristic来传输的，直接通过其Value节点传输即可。

image-20230914205740320

HID Boot Protocol

在看HID的时候，不可避免就会看到Boot协议的说明，这套机制独立于Report Map机制。这个东西个人感觉就是满足简易Host驱动需要的场景。

什么意思呢，其实看完Report Map后，你会发现这个东西非常灵活啊，对于软件而言，越是灵活的东西其实越难实现。想象一下，你来做PC端的驱动，要识别各种各样的设备，并响应不同设备的传输协议，那这个驱动会写得非常复杂，所需的Code Size和RAM资源会很庞大，而且也容易有bug。

HID引入了Boot模式，在这我称之为简易模式，这个模式只支持满足主机基本操作需要的鼠标和键盘功能设备。其不允许你使用复杂的Report Map来声明你的数据包格式，而且事先约定好一个固定的包格式，设备必须按照这个格式来上报数据。

数据包格式

Boot模式一共提供了3种数据包格式，两个Input，一个Output。详细解析可以看码农的自我修养 - USB键盘和鼠标的数据包格式_键盘协议_夜流冰的博客-程序员宅基地和HID设备详解_笔记大全_设计学院 (python100.com)。

鼠标Input格式如下，一共3个字节，多的字节不管。

image-20230915193935516

具体的格式如Report Map所示（这里后面多的字节不管）：

    0x05, 0x01,           // Usage Page (Generic Desktop)
    0x09, 0x02,           // Usage (Mouse)
    0xA1, 0x01,           // Collection (Application)
    0x09, 0x01,           //     Usage (Pointer)
    0xA1, 0x00,           //     Collection (Physical)
    0x05, 0x09,           //         Usage Page (Button)
    0x15, 0x00,           //         Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,           //         Logical Maximum (1)
    0x19, 0x01,           //         Usage Minimum (Button 1)
    0x29, 0x05,           //         Usage Maximum (Button 5)
    0x75, 0x01,           //         Report Size (1)
    0x95, 0x05,           //         Report Count (5)
    0x81, 0x02,           //         Input (Data,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x03,           //         Input (Cnst,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x05, 0x01,           //         Usage Page (Generic Desktop)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x30,           //         Usage (X)
    0x09, 0x31,           //         Usage (Y)
    0x09, 0x32,           //         Usage (Z)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x03,           //         Report Count (3)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x15, 0x81,           //         Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,           //         Logical Maximum (127)
    0x09, 0x38,           //         Usage (Wheel)
    0x75, 0x08,           //         Report Size (8)
    0x95, 0x01,           //         Report Count (1)
    0x81, 0x06,           //         Input (Data,Var,Rel,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0xC0,                 //     End Collection
    0xC0,                 // End Collection

键盘Input格式如下，一共8个字节，多的字节不管。

image-20230915193954025

键盘Output格式如下，一共1个字节，主要是灯效信息。

image-20230914212229292

具体的格式如Report Map所示：

    0x05, 0x01,           // Usage Page (Generic Desktop)
    0x09, 0x06,           // Usage (Keyboard)
    0xA1, 0x01,           // Collection (Application)
    0x05, 0x07,           //     Usage Page (Keyboard/Keypad)
    0x19, 0xE0,           //     Usage Minimum (Keyboard Left Control)
    0x29, 0xE7,           //     Usage Maximum (Keyboard Right GUI)
    0x15, 0x00,           //     Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,           //     Logical Maximum (1)
    0x75, 0x01,           //     Report Size (1)
    0x95, 0x08,           //     Report Count (8)
    0x81, 0x02,           //     Input (Data,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,Bit)
    0x75, 0x08,           //     Report Size (8)
    0x95, 0x01,           //     Report Count (1)
    0x81, 0x01,           //     Input (Cnst,Ary,Abs)
    0x19, 0x00,           //     Usage Minimum (Undefined)
    0x2A, 0xFF, 0x00,     //     Usage Maximum
    0x15, 0x00,           //     Logical Minimum (0)
    0x26, 0xFF, 0x00,     //     Logical Maximum (255)
    0x75, 0x08,           //     Report Size (8)
    0x95, 0x06,           //     Report Count (6)
    0x81, 0x00,           //     Input (Data,Ary,Abs)
    /* LED */
    0x05, 0x08,           //     Usage Page (LEDs)
    0x19, 0x01,           //     Usage Minimum (Num Lock)
    0x29, 0x05,           //     Usage Maximum (Kana)
    0x15, 0x00,           //     Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,           //     Logical Maximum (1)
    0x75, 0x01,           //     Report Size (1)
    0x95, 0x05,           //     Report Count (5)
    0x91, 0x02,           //     Output (Data,Var,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,NVol,Bit)
    0x95, 0x03,           //     Report Count (3)
    0x91, 0x01,           //     Output (Cnst,Ary,Abs,NWrp,Lin,Pref,NNul,NVol,Bit)
    0xC0,                 // End Collection

模式选择-Protocol Mode(0x2A4E)

通常来讲，设备可能同时支持Report Protocol和Boot Protocol，Report Protocol可能支持更多灵活的功能应用，也可以通过减少包长度来减少功耗。

那么到底什么使用Boot协议呢？当主机设置了Protocol Mode为Boot模式时，只允许发送Boot协议的数据。所有Report协议数据主机都不响应。

image-20230914212609128

数据传输

针对上述三种数据包格式，分别在三个Characteristic上发送/接收。分别是：Boot Keyboard Input Report(0x2A22)、Boot Keyboard Output Report(0x2A32)和Boot Mouse Input Report(0x2A33)。

image-20230914213013522
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/wenbo13579/article/details/132891147

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