Адам-компьютер интерфейсі құрылғылары

Кіріспе

Адам интерфейсі құрылғысы немесе HID – әдетте адамдар пайдаланатын, адамдардан кіріс алатын немесе оларға шығыс беретін компьютер құрылғысының түрі. "HID" термині көбінесе USB HID спецификациясына қатысты. Бұл терминді Microsoft компаниясының Майк Ван Фландрен USB комитетіне адамдардан кіріс құрылғысы класын құруды ұсынғанда енгізді. Том Шмидт (DEC) ұсынғаннан кейін жұмыс тобының атауы Адам интерфейсі құрылғысы класы деп өзгертілді, себебі ұсынылған стандарт екі бағытты байланысты қолдайды.

Шығаруға арналған HID:
Компьютер мониторы
Жаңартылатын Брайль дисплейі
Дыбыс шығару құрылғылары (loudspeakers)
Құлаққап (headset)
Сезімдік технология (haptic technology)

Көбінесе қолданылатын HID:
Пернетақта және жаңартылатын Брайль дисплейі
Нысаналық құрылғылар: Тышқан, трекбол, тачпад, нысана таяқшасы, жарық қалам
Сенсорлық экран (touchscreen)
Магниттік жолақ оқырман
Графикалық планшет
Джойстик, геймпад, аналогтық таяқша
Веб-камера
Саусақ ізгі сканері

Сирек кездесетін HID:
Жүргізу және ұшу симуляторларының құрылғылары: жылдамдық қосымшалары, рульдер, педальдер
Сымды қолғап (Nintendo Power Glove)
Би өнерпаздығына арналған төсеніш (dance pad)
Wii пульт қашықтан басқаруы
Беттік есептеу құрылғысы
Apple-дің кенет қозғалыс сенсор құрылғысы.

HID стандарты

HID стандарты негізінен компьютерлік құрылғылардың инновацияларын дамыту және мұндай құрылғыларды орнату процесін жеңілдету үшін қабылданды. HID тұжырымдамасын енгізуге дейін құрылғылар әдетте тышқан, пернетақта және джойстик үшін қатаң белгіленген протоколдарға сәйкес келетін. Мысалы, сол кездегі стандартты тышқан протоколы X және Y осьтерінің деректерін, екі түймеге дейін екілік енгізуді қолдады және мұрагерлік қолдау болмады. Барлық аппараттық инновациялар қолданыстағы протоколдағы деректерді жүктеуді немесе арнайы құрылғы драйверлерін жасауды және жаңа протоколды әзірлеушілерге таныстыруды қажет етті. Керісінше, барлық HID анықталған құрылғылар кез келген сандағы дерек түрлерін және форматтарды қамтитын өзін-өзі сипаттайтын пакеттерді ұсынады. Компьютердегі бір HID драйвері деректерді талдайды және деректердің I/O-сын қолданбалық функционалдықпен динамикалық байланыстыруға мүмкіндік береді, бұл жылдам инновациялар мен дамуға, сондай-ақ жаңа адам-машина интерфейсі құрылғыларының кең түрленуіне әкелді. HID стандартын бірнеше танымал компаниялардың өкілдерінен құралған жұмыс комитеті әзірледі. Қатысушылардың тізімі "Адам-машина интерфейсі құрылғыларының құрылғы класының сипаттамасы" құжатында келтірілген. Өзін-өзі сипаттайтын, кеңейтілетін протокол тұжырымдамасы алғаш рет Майкл Ван Фландрен мен Манолито Адан Microsoft компаниясында "Raptor" жобасымен жұмыс істеген кезде, ал Стив МакГоуэн тәуелсіз түрде "SIM" жобасымен жұмыс істеген кезде пайда болды. Бұл жоба VFX1 VR гарнитурасы және оның жабдықтары үшін құрылғы протоколын Forte Technologies компаниясында ACCESS шинасы негізінде анықтады. SIM де өзін-өзі сипаттайтын және кеңейтілетін болды, бірақ VR және қозғалыс түсіруге арналған SIM құрылғыларына көбірек бағытталған. Тұтынушылық ойын әзірлеушілер конференциясында ақпарат алмасып болғаннан кейін Стив пен Майк пайда болатын Универсалды серийлік шина (USB) үшін жаңа стандартты бірлесіп жасауға келісті. HID пайдалануға дейін (шамамен 1995 жылға дейін) компьютерге қосылған әрбір құрылғы үшін дерлік арнайы драйверлерді орнату қажет болды. Бұл құрылғы өндірушілерінің операциялық жүйе шығарылымдарын қадағалауын және құрылғылары үшін жүйелі түрде жаңартылған драйверлерді ұсынуын, сондай-ақ қолдайтын әрбір операциялық жүйе үшін драйверлерді әзірлеуін білдірді. Сонымен қатар, сол кездегі жаңа құрылғылар, мысалы, ұшу симуляторлары үшін қосымша түймелері немесе D-падтары бар джойстиктер, драйверден ғана емес, сонымен қатар оларды қолдайтын әрбір ойыннан жаңа басқару элементтерін қосатын бағдарламалық қолдауды қажет етті. Бұл құрылғы әзірлеушілерінің қолдайтын әрбір ойынды қосуға қосымша жауапкершілігі бар екенін білдірді. HID құрылғысының Report Descriptor арқылы өзін сипаттау мүмкіндігі аппараттық құрылғы әзірлеушілерін ойын әзірлеушілерінен ажыратты. Report Descriptor тұжырымдамасы сонымен қатар операциялық жүйе өндірушілерінің HID драйверін (талдаушысын) жаза алатынын білдірді, ол өндіруші армандаған кез келген HID құрылғысын қабылдай алады, өндіруші қолдайтын әрбір операциялық жүйе үшін драйверді жазуға немесе сақтауға міндетті болмайды. Осылайша, HID класы құрылғы өндірушілерін ойын және операциялық жүйе өндірушілерінен ажыратты, құрылғы өндірушілеріне инновацияларды жылдам жасауға және даму шығындарын азайтуға мүмкіндік берді (мысалы, драйверлер немесе ойын әзірлеушілерінің қолдауы болмайды). HID пайдалану кестесі құжаты HID құрылғылары ұсына алатын мыңдаған басқару элементтерін анықтайды. Ойын өндірушілері операциялық жүйенің HID талдаушысынан құрылғымен ұсынылған басқару элементтерінің жиынтығын анықтап, содан кейін сол басқару элементтерін өздерінің ойынындағы мүмкіндіктерге сәйкестендіре алады. HID пайдалану кестесі (HUT) құжатына алғашқы шығарылымынан бері жүздеген жаңа пайдалану түрлері қосылды. HID протоколының шектеулері бар, бірақ барлық заманауи негізгі операциялық жүйелер арнайы драйверді қажет етпей-ақ стандартты USB HID құрылғыларын, мысалы, пернетақталар мен тышқандарды таниды. Алайда, оның әмбебаптығы 22 жылдан бері жаңартылмағанымен және бүгінгі күні өндірістегі әрбір компьютер, планшет және ұялы телефонмен үйлесімді екендігімен дәлелденді. USB, демек HID құрылғыларын ыстық қосуға болады, сондықтан орнатылған кезде экранда "HID-ке сәйкес келетін құрылғы танылды" деген хабарлама пайда болады. Қарама-қарсылығы, бұл хабарлама әдетте USB-ден бұрын PS/2 6 пинді DIN қосқыштары арқылы қосылған құрылғыларда пайда болмайды. PS/2 әдетте Plug and Play-ді қолдамайды, яғни компьютер қосылған кезде PS/2 пернетақтасы немесе тышқан қосылғанда әрқашан жұмыс істемейді және компьютердің аналық платасына қауіп тудыруы мүмкін. Сонымен қатар, PS/2 стандарты HID протоколын қолдамайды. USB адам-машина интерфейсі құрылғы класы USB HID-ді сипаттайды. HID протоколы (Report Descriptor және Report механизмі) USB-ден басқа көптеген шиналарда жүзеге асырылды, соның ішінде Bluetooth және I2C. "HID біріктірілген пайдалану кестесі құжаттарында" HID-ге бірнеше кеңейтімдер де бар, соның ішінде үзіліссіз қуат көздері, бейне монитор басқару элементтері, сату орындары құрылғылары, аркада және ойын (слот машиналарын) құрылғылары.

The HID standard was adopted primarily to enable innovation in PC input devices and to simplify the process of installing such devices. Prior to the introduction of the HID concept, devices usually conformed to strictly defined protocols for mouse, keyboards and joysticks; for example, the standard mouse protocol at the time supported relative X and Y axis data and binary input for up to two buttons, with no legacy support. All hardware innovations necessitated either overloading the use of data in an existing protocol or the creation of custom device drivers and the evangelization of a new protocol to developers. By contrast, all HID defined devices deliver self describing packages that may contain any number of data types and formats. A single HID driver on a computer parses data and enables dynamic association of data I/O with application functionality, which has enabled rapid innovation and development, and prolific diversification of new human interface devices. A working committee with representatives from several prominent companies developed the HID standard. The list of participants appears in the "Device Class Definition for Human Interface Devices (HID)"
document. The concept of a self describing extensible protocol initially came from Mike Van Flandern and Manolito Adan while working on a project named "Raptor" at Microsoft, and independently from Steve McGowan, who worked on a "SIM" project that defined a device protocol for the VFX1 VR Headset and its peripherals based on ACCESS. bus while at Forte Technologies. SIM was also self describing and extensible, however it was more focused on SIMulation devices used for VR and motion capture. After comparing notes at a Consumer Game Developer Conference, Steve and Mike agreed to collaborate on a new standard for the emerging Universal Serial Bus (USB). Prior to HID (c.1995), proprietary drivers needed to be installed for almost every device attached to a PC. This meant that device vendors needed to track OS releases, and regularly offer updated drivers for their devices, and to develop drivers for each OS that they wanted to support. Also, at the time any novel devices, e. g., Joysticks designed for flight simulators with extra buttons or D pads, required software support not only by the driver, but by each game that supported them to enable new controls. This meant that the device developers had the additional responsibility of enabling each game that they wanted to support. The ability for a HID device to describe itself via a Report Descriptor, decoupled hardware device developers from game developers. The Report Descriptor concept also meant that OS vendors could write a HID driver (Parser) that could accommodate almost any HID device a vendor could dream up, without the vendor needing to write or maintain a driver for every OS that they wanted to support. So the HID class decoupled device vendors from game and OS vendors, enabling device vendors to innovate faster, and reducing their development costs (e. g., no drivers or game developer support). The HID Usage Table document defines thousands of controls that can be presented by HID devices. Game vendors can query the OS's HID parser to identify the set of controls that are presented by a device, then map those controls to features in their game. Since its original release, the HID Usage Table (HUT) document has had hundreds of new uses added to it. The HID protocol has its limitations, but all modern mainstream operating systems will recognize standard USB HID devices, such as keyboards and mice, without needing a specialized driver. However its versatility has been demonstrated by the fact that it has not been updated in over 22 years, and it is still supported by every PC, tablet and cell phone in production today. USB, hence HID, devices can be hot plugged, so when installed, a message saying that "A 'HID compliant device' has been recognized" generally appears on screen. In comparison, this message did not usually appear for devices connected via the PS/2 6 pin DIN connectors which preceded USB. PS/2 did not typically support plug and play, which means that connecting a PS/2 keyboard or mouse with the computer powered on does not always work and may pose a hazard to the computer's motherboard. Likewise, the PS/2 standard did not support the HID protocol. The USB human interface device class describes a USB HID. The HID protocol (Report Descriptor and Report mechanism) has been implemented on many buses other than USB, including Bluetooth and I2C. There are also a number of extensions to HID defined in "HID Integrated Usage Table Documents", including uninterruptible power supplies, video monitor controls, point of sale devices, arcade and gaming (slot machines) devices.

Есепті сипаттаушы

Хабарлама сипаттамасы HID құрылғысымен жасалатын немесе қабылданатын хабарламаларды көрсетеді. Әрбір хабарлама «Есеп» деп аталады. Есептер құрылғыда оқуға немесе жазуға болатын биттерді/басқару элементтерін анықтай алады, немесе құрылғының ағымдағы күйі туралы хостты хабардар ету үшін белгілі бір уақыт интервалымен жасалады. Мысалы, тышқан әдетте хостқа қозғалыс немесе түймелерді басу туралы хабарлау үшін секунд сайын 200 рет есеп шығарады. Есеп сипаттамалары «бит бағдарланған», яғни басқару элементтері 1-ден 32 битке дейін ақпаратты ұсынуы мүмкін. Есеп сипаттамасында анықталған әрбір басқару элементінің идентификаторы болады және ол есептегі өлшемі мен орнын анықтайды. Есеп сипаттамасы көптеген есептерді анықтай алады, олардың әрқайсысы ақпараттың әртүрлі жиынтығын немесе комбинациясын көрсетеді. Мысалы, қарапайым тышқан 3 байттық есепті анықтайды, онда есептің ең кішкентай (0) биті сол жақ түйме, келесі (1) биті ортаңғы түйме, ал үшінші (2) биті оң жақ түйме болып табылады. Тышқанның 8 биттік X және Y координаттары байт шекараларына ыңғайлы түрде орналасуы үшін 5 биттік «толтырғыш» анықталады. Содан кейін X координатасы 8 биттік салыстырмалы мән ретінде анықталады (яғни, алдыңғы есептен бері «миккилер» саны), ол 8-ден 15-ке дейінгі бит позицияларында орналасқан, ал Y координатасы 16-дан 24-ке дейінгі бит позицияларында орналасқан 8 биттік салыстырмалы мән ретінде анықталады, нәтижесінде хостқа ұсынылатын деректер жиынтығы пайда болады. Есеп сипаттамасы өте әмбебап, құрылғыға оның ұсынатын әрбір басқарудың ажыратымдылығын, диапазонын және басқа да көптеген сипаттамаларын белгілеуге мүмкіндік береді. Тышқан немесе пернетақта контроллерінің барлық коды мен деректеріне 1 КБ ROM болған кезде жасалған есеп сипаттамасы синтаксисі оның көлемін азайтуға мүмкіндік беретін көптеген мүмкіндіктерге ие, мысалы, таңдалған басқару параметрлері бірнеше анықтамаларда сақталуы мүмкін, олардың мәні өзгергенде ғана қайта жариялануы керек. Бастапқы тышқанның есептері 50 байтпен, ал 104 пернетақтаның есептері 65 байтпен сипатталуы мүмкін.

Физикалық сипаттамашы

HID-тің көпшілікке беймәлім немесе толық түсінілмеген мүмкіндігі – физикалық сипаттамашы. Физикалық сипаттамашы, есеп сипаттамашысында анықталған жеке басқару элементтерімен байланысатын адам денесінің бөліктерін анықтау үшін пайдаланылады. Ойынды басқару кезінде, көбінесе, бас бармақ пен көрсету саусағы қайталама әрекеттерді орындау үшін қолданылады. Осы саусақтар ең жылдам реакцияға ие болғандықтан, олар әдетте қарудың құрсауын тартып немесе жиі қолданылатын ойын функцияларын іске қосу үшін қолданылады. Физикалық сипаттамашы құрылғы өндірушісіне әрбір басқару элементіне қай саусақтың тиетінін анықтауға және жеке саусақтың жете алатын басқару элементтері жиынтығына басымдық беруге мүмкіндік береді. Бұл мүмкіндік ойын өндірушісіне ойын әзірленген кезде жоқ құрылғы үшін де ең тиімді батырмалар комбинациясын ұсынуға мүмкіндік береді. Физикалық сипаттамашы сонымен қатар HID құрылғысы арқылы толық дене қозғалысын түсіру ақпаратын ұсынуға мүмкіндік береді, яғни адам денесіндегі кез келген буынның бұрышын, бағытын, салыстырмалы немесе абсолютті орнын көрсетеді. Ал есеп сипаттамашысы арқылы қозғалыс деректері құрылғы қолдайтын кез келген ажыратымдылықта ұсынылуы мүмкін.

HID протоколының компоненттері

HID протоколында 2 нысан бар: «хост» және «құрылғы». Құрылғы – кілтпе немесе тышқан сияқты адаммен тікелей әрекеттесетін элемент. Хост құрылғымен байланысады және адамның іс-әрекеттері туралы кіріс деректерін құрылғыдан алады. Шығыс деректері хосттан құрылғыға, содан кейін адамға жіберіледі. Хосттың ең көп таралған мысалы – компьютер, бірақ кейбір ұялы телефондар мен жеке ассистенттер (PDA) де хост бола алады. HID протоколы құрылғыларды жүзеге асыруды өте оңай етеді. Құрылғылар өз дерек пакеттерін анықтайды, содан кейін хостқа «HID дескрипторын» ұсынады. HID дескрипторы – құрылғының дерек пакеттерін сипаттайтын байттардың қатаң кодталған массиві. Оған құрылғының қолдайтын пакеттер саны, пакеттердің мөлшері және пакеттегі әрбір байт пен биттің мақсаты кіреді. Мысалы, калькулятор бағдарламасының батырмасы бар кілтпе хостқа батырманың басылған/босатылған күйі 4-ші дерек пакетінің 6-шы байтындағы 2-ші бит ретінде сақталады (ескерту: бұл орналасқан жерлер тек иллюстрациялық және құрылғыға тән). Құрылғы әдетте HID дескрипторын ROM-да сақтайды және оны түсіну немесе талдау қажеттілігі жоқ. Қазіргі нарықтағы кейбір тышқан мен кілтпе аппараттары тек 8 биттік процессорды қолданады. Хост құрылғыдан гөрі күрделірек болуы керек. Хост құрылғымен толық байланысу үшін HID дескрипторын құрылғыдан алуы және оны талдауы қажет. HID дескрипторын талдау қиын болуы мүмкін. Бірнеше операциялық жүйелер HID дескрипторларын талдау үшін жауапты құрылғы драйверлерінде қателер жібергені белгілі болды, тіпті драйверлер бастапқыда жарияланғаннан кейін жылдар өткен соң да. Дегенмен, осы күрделілік HID құрылғыларымен жылдам жаңару мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Жоғарыда сипатталған механизм HID «есеп беру протоколы» деп аталады. Барлық хосттар HID дескрипторларын талдауға қабілетті емес екені түсінілгендіктен, HID сондай-ақ «жүктеу протоколын» анықтайды. Жүктеу протоколында тек белгілі бір құрылғылар белгілі бір мүмкіндіктерімен қолдау табады, себебі тұрақты дерек пакеттерінің форматтары қолданылады. Бұл режимде HID дескрипторы қолданылмайды, сондықтан жаңарулар шектеулі. Алайда, артықшылығы – бұл HID-ті қолдамайтын хосттарда да минималды функционалдық мүмкіндіктерді қамтамасыз ету. Жүктеу протоколында қолдау көрсетілетін жалғыз құрылғылар: Кілтпе – HID пайдалану кестелерінде анықталған алғашқы 256 кілт кодының («Пайдалану») кез келгені, 7-ші пайдалану беті жүктеу протоколын пайдаланатын кілтпе арқылы хабарлануы мүмкін, бірақ көптеген жүйелер осы кілттердің кіші жиынтығын ғана қолдайды. Көптеген жүйелер IBM AT 101 макетіндегі барлық 104 кілтті, сондай-ақ Microsoft Windows 95 үшін жасалған үш қосымша кілтті (сол және оң Windows кілттері және Мәзір кілті) қолдайды. Көптеген жүйелер сондай-ақ негізгі батыс еуропалық 105, корей 106, бразилиялық ABNT 107 және жапондық DOS/V 109 кілттерін де қолдайды. 7-ші бетте көрсетілмеген батырмалар, кілттер мен кілт кодтары қолдау көрсетілмейді. Мысалы, белгілі бір АҚШ кілтпесінің QWERTY кілттері жұмыс істейді, бірақ калькулятор және шығу кілттері жұмыс істемейді, өйткені олар 12-ші беттегі пайдалануда анықталған және жүктеу протоколында хабарлана алмайды. Тышқан – тек X, Y осьтері және алғашқы 3 батырмасы қол жетімді болады. Тышқанның кез келген қосымша мүмкіндіктері жұмыс істемейді. Жүктеу режимінің кең таралған қолданылуының бірі – компьютердің жүктелу тізбегінің алғашқы сәттерінде. Компьютердің BIOS-ын тікелей конфигурациялау көбінесе тек жүктеу режимін пайдалану арқылы жасалады. Кейде пайдаланушыға құрылғы дұрыс драйверді орнатқанын және енді оны пайдалануға болатынын хабарлайтын хабарлама пайда болады.

In the HID protocol, there are 2 entities: the "host" and the "device". The device is the entity that directly interacts with a human, such as a keyboard or mouse. The host communicates with the device and receives input data from the device on actions performed by the human. Output data flows from the host to the device and then to the human. The most common example of a host is a PC but some cell phones and PDAs also can be hosts. The HID protocol makes implementation of devices very simple. Devices define their data packets and then present a "HID descriptor" to the host. The HID descriptor is a hard coded array of bytes that describes the device's data packets. This includes: how many packets the device supports, the size of the packets, and the purpose of each byte and bit in the packet. For example, a keyboard with a calculator program button can tell the host that the button's pressed/released state is stored as the 2nd bit in the 6th byte in data packet number 4 (note: these locations are only illustrative and are device specific). The device typically stores the HID descriptor in ROM and does not need to intrinsically understand or parse the HID descriptor. Some mouse and keyboard hardware in the market today is implemented using only an 8 bit CPU. The host is expected to be a more complex entity than the device. The host needs to retrieve the HID descriptor from the device and parse it before it can fully communicate with the device. Parsing the HID descriptor can be complicated. Multiple operating systems were known to have shipped bugs in the device drivers responsible for parsing the HID descriptors years after the device drivers were originally released to the public. However, this complexity is the reason why rapid innovation with HID devices is possible. The above mechanism describes what is known as HID "report protocol". Because it was understood that not all hosts would be capable of parsing HID descriptors, HID also defines "boot protocol". In boot protocol, only specific devices are supported with only specific features because fixed data packet formats are used. The HID descriptor is not used in this mode so innovation is limited. However, the benefit is that minimal functionality is still possible on hosts that otherwise would be unable to support HID. The only devices supported in boot protocol are
Keyboard – Any of the first 256 key codes ("Usages") defined in the HID Usage Tables, Usage Page 7 can be reported by a keyboard using the boot protocol, but most systems only handle a subset of these keys. Most systems support all 104 keys on the IBM AT 101 layout, plus the three extra keys designed for Microsoft Windows 95 (the left and right Windows key, and the Menu key). Many systems also support additional keys on basic western European 105 , Korean 106 , Brazilian ABNT 107 and Japanese DOS/V 109 key layouts. Buttons, knobs and keys that are not reported on Usage Page 7 are not available. For example, a particular US keyboard's QWERTY keys will function but the Calculator and Logoff keys will not because they are defined on Usage Page 12 and cannot be reported in boot protocol. Mouse – Only the X axis, Y axis, and the first 3 buttons will be available. Any additional features on the mouse will not function. One common usage of boot mode is during the first moments of a computer's boot up sequence. Directly configuring a computer's BIOS is often done using only boot mode. Sometimes a message will appear informing the user that the device has installed the correct driver and is now usable.

Құрылғының анықтамасы

HID ерекшеліктеріне сәйкес, құрылғы хабарлама режимінде басқару элементтерінің жиынтығы немесе басқару элементтерінің тобы ретінде сипатталады. Басқару элементтері деректерді қамтитын және пайдалану белгісін қамтитын өрістермен сәйкес келеді. Әрбір пайдалану белгісі есеп беру режимінде сипатталған деректерді пайдаланудың конструктор ұсынған мақсатын сипаттайды. Бұл – HID құрылғысына қатысты барлық сипаттамаларды жасауға арналған Windows бағдарламасы (төмендегі сілтемені қараңыз). Ол синтаксисті тексеруді жүзеге асырады және HID сипаттамалары үшін C, C Header және екілік файлдарды құрай алады. Оның мәтіндік негіздегі Пайдалану кестесінің анықтамалық файлдарын меншікті Пайдалану (басқару түрлері) немесе Пайдалану кестелерін (құрылғымен немесе мүмкіндікпен байланысты Пайдалану жиынтығы) анықтау үшін де оңай кеңейтуге болады.