在Java应用程序中访问USB设备

在Java应用程序中访问USB设备在本文通过提供使Java应用程序可以使用USB设备的API而使这个过程变得更容易.Java平台一直都以其平台无关性自豪。虽然这种无关性有许多好处，但是它也使得编写与硬件交互的Java应用程序的过程变得相当复杂。在本文中，研究科学家蒋清野讨论了两个项目，它们通过提供使Java应用程序可以使用USB设备的API而使这个过程变得更容易。虽然这两个项目仍然处于萌芽状态，但是它们都显示了良好的前景，并已经成为一些实用应用程序的基础。通用串行总线(UniversalSerialBusUSB)规范的第一个版本发表于1996年1月。因为它的低成本、高数据传输率、使用容易和灵活性，USB在计算机行业里获得了广泛接受。今天，许多周边设备和装置都是通过USB接口连接到计算机上的。目前，大多数一般用途的操作系统都提供了对USB设备的支持，并且用C或者C++可以相对容易地开发访问这些外设的应用程序。不过，Java编程语言在设计上对硬件访问提供的支持很少，所以编写与USB设备交互的应用程序是相当困难的。IBM的DanStreetman最早开始了在Java语言中提供对USB设备的访问的努力。2001年，他的项目通过Java规范请求(JavaSpecificationRequest，JSR)过程被接受为Java语言的候选扩展标准。这个项目现在称为JSR-80并且指定了官方包javax.usb。同时，在2000年6月，MojoJojo和DavidBrownell在SourceForge开始了jUSB项目。这两个项目都开发出了Linux开发人员可以使用的包，尽管它们都还很不完善。这两个项目也都开始试图向其他操作系统上的Java应用程序提供对USB设备的访问，尽管它们都还没有开发出可以使用的包(参阅参考资料中有关本文中讨论的这两个项目及其他项目的资料)。在本文中，将对jUSB和JSR-80项目作一个简要介绍，不过，我们首先要看一下USB协议的具体细节，这样您就可以理解这两个项目是如何与USB设备交互的。我们还将提供代码片段以展示如何用这两个项目的API访问USB设备。USB介绍1994年，一个由四个行业伙伴(Compaq、Intel、Microsoft和NEC)组成的联盟开始制定USB协议。该协议最初的目的是将PC与电话相连并提供容易扩展和重新配置的I/O接口。1996年1月，发表了USB规范的第一个版本，1998年9月发表了后续版本(版本1.1)。这个规范允许127台设备同时连接到一起，总的通信带宽限制为12Mbps。后来，又有三个成员(Hewlett-Packard、Lucent和Philips)加入了这个联盟。2000年4月，发表了USB规范的2.0版本，它支持高达480Mbps的传输率。今天，USB在高速(视频、图像、储存和全速(音频、宽带、麦克风数据传输应用中起了关键作用。它还使各种低速设备:键盘、鼠标、游戏外设、虚拟现实外设)连接到PC上。USB协议有严格的层次结构。在所有USB系统中，只有一个主设备，到主计算机的的USB接口称为主控器(hostcontroller)。主控器有两个标准??开放主控器接口(Compaq的OpenHostControllerInterface，OHCI)和通用主控器接口(Intel的UniversalHostController

Interface,UHCI)。这两个标准提供了同样的能力，并可用于所有的USB设备，UHCI的硬件实现更简单一些，但是需要更复杂的设备驱动程序(因而CPU的负荷更大一些)。USB物理互连是分层的星形拓朴，最多有七层。一个hub是每个星形的中心，USB主机被认为是roothub。每一段连线都是hub与USB设备的点对点连接，后者可以是为系统提供更多附加点的另一个hub，也可以是一个提供功能的某种设备。主机使用主/从协议与USB设备通信。这种方式解决了包冲突的问题，但是同时也阻止了附加的设备彼此建立直接通信。所有传输的数据都是由主控器发起的。数据从主机流向设备称为下行(downstream)或者输出(out)传输，数据从设备流向主机称为上行(upstream)或者输入(市)传输。数据传输发生在主机和USB设备上特定的端点(endpoint)之间，主机与端点之间的数据链接称为管道(pipe)。一个给定的USB设备可以有许多个端点，主机与设备之间数据管道的数量与该设备上端点的数量相同。一个管道可以是单向或者是双向的，一个管道中的数据流与所有其他管道中的数据流无关。USB网络中的通信可以使用下面四种数据传输类型中的任意一种：控制传输：这些是一些短的数据包，用于设备控制和配置，特别是在设备附加到主机上时。批量传输：这些是数量相对大的数据包。像扫描仪或者SCSI适配器这样的设备使用这种传输类型。中断传输：这些是定期轮询的数据包。主控器会以特定的间隔自动发出一个中断。等时传输：这些是实时的数据流，它们对带宽的要求高于可靠性要求。音频和视频设备一般使用这种传输类型。像串行端口一样，计算机上每一个USB端口都由USB控制器指定了一个惟一的标识数字(端口ID)。当USB设备附加到USB端口上时，就将这个惟一端口ID分配给这台设备，并且USB控制器会读取设备描述符。设备描述符包括适用于该设备的全局信息、以及设备的配置信息。配置定义了一台USB设备的功能和I/O行为。一台USB设备可以有一个或者多个配置，这由它们相应的配置描述符所描述。每一个配置都有一个或者多个接口，它可以视为一个物理通信渠道；每一个接口有零个或者多个端点，它可以是数据提供者或者数据消费者，或者同时具有这两种身份。接口由接口描述符描述，端点由端点描述符描述。并且一台USB设备可能还有字符串描述符以提供像厂商名、设备名或者序列号这样的附加信息。正如您所看到的，像USB这样的协议为使用Java这种强调平台和硬件无关性的语言的开发人员提出了挑战。现在让我们看两个试图解决这个问题的项目。jUSBAPI

jUSB项目是由MojoJojo和DavidBrownell于2000年6月创立的。其目标是提供一组免费的、在Linux平台上访问USB设备的JavaAPI。这个API是按照LesserGPL（LGPL）条款发表的，这意味着您可以在专有和免费软件项目中使用它。这个API提供了对多个物理USB设备的多线程访问，并支持本机和远程设备。具有多个接口的设备可以同时被多个应用程序（或者设备驱动程序）所访问，其中每一个应用程序（或者设备驱动程序）都占据一个不同的接口。该API支持控制传输、批量传输和中断传输，不支持等时传输，因为等时传输用于媒体数据（如音频和视频），JMFAPI已经在其他标准设备驱动程序上对此提供了很好的支持（参阅参考资料）。当前，该API可以在具有Linux2.4核心或者以前的2.2.18核心的GNU/Linux版本上工作。因此可支持大多数最新的版本，例如，该API可以在没有任何补丁或者升级的RedHat7.2和9.0上工作。jUSBAPI包括以下包：•usb.core:这个包是jUSBAPI的核心部分。它使得Java应用程序可以从USB主机访问USB设备。•usb.linux:这个包包含usb.core.Host对象的Linux实现、bootstrapping支持和其他可以提升LinuxUSB支持的类。这个实现通过虚拟USB文件系统（usbdevfs）访问USB设备。•usb.windows:这个包包含usb.core.Host对象的Windows实现、bootstrapping支持和其他可以提升WindowsUSB支持的类。这个实现仍然处于非常初级的阶段。•usb.remote:这个包是usb.coreAPI的远程版本。它包括一个RMIproxy和一个daemon应用程序，它让Java应用程序可以访问远程计算机上的USB设备。•usb.util:这个包提供了一些有用的实用程序，可以将firmware下载到USB设备上、将USB系统的内容转储到XML中、以及将只有bulkI/O的USB设备工具转换成一个套接字（socket）o•usb.devices:这个可选包收集了用jUSBAPI访问不同USB设备的Java代码，包括柯达数码相机和Rio500MP3播放器。这些API经过特别编写以简化访问特定USB设备的过程，并且不能用于访问其他设备。这些API是在usb.coreAPI之上构建的，它们可以工作在所有支持jUSB的操作系统上。•usb.view:这个可选包提供了基于Swing的USB树简单浏览器。它是一个展示jUSBAPI应用的很好的示例程序。尽管usb.core.Host对象的实现对于不同的操作系统是不同的，但是Java程序员只需要理解usb.core包就可以用jUSBAPI开始应用程序的开发。表1列出了usb.core的接口和类，Java程序员应该熟悉它们：表1.jUSB中的接口和类

接口/类说明Bus将一组USB设备连接到Host上Host表示具有一个或者多个Bus的USB控制器Configuration提供对设备所支持的USB配置的访问，以及对与该配置关联的接口的访问Descriptor具有USB类型的描述符的实体的基类Device提供对USB设备的访问DeviceDescriptor提供对USB设备描述符的访问EndPoint提供对USB端点描述符的访问、在给定设备配置中构造设备数据输入或者输出HostFactory包含bootstrapping方法Hub提供对USBhub描述符以及一些hub操作的访问Interface描述一组端点，并与一个特定设备配置相关联PortIdentifier为USB设备提供稳定的字符串标识符，以便在操作和故障诊断时使用用jUSBAPI访问一台USB设备的正常过程如下：•通过从HostFactory得到USBHost进行Bootstrap0•从Host访问USBBus，然后从这个Bus访问USBroothub(即USBDevice)0•得到hub上可用的USB端口数量，遍历所有端口以找到正确的Device。•访问附加到特定端口上的USBDevice。可以用一台Device的Portidentifier直接从Host访问它，也可以通过从roothub开始遍历USBBus找到它。.用ControlMessage与该Device直接交互，或者从该Device的当前Configuration中要求一个Interface，并与该Interface上可用的Endpoint进行I/O。清单1展示了如何用jUSBAPI获得USB系统中的内容。这个程序编写为只是查看roothub上可用的USB设备，但是很容易将它改为遍历整个USB树。这里的逻辑对应于上述步骤1到步骤4o清单1.用jUSBAPI获得USB系统的内容importusb.core.*;publicclassListUSB{publicstaticvoidmain(String[]args){

try{//BootstrapbygettingtheUSBHostfromtheHostFactory.Hosthost=HostFactory.getHost();//ObtainalistoftheUSBbusesavailableontheHost.Bus[]bus=host.getBusses();inttotal_bus=bus.length;//TraversethroughalltheUSBbuses.for(inti=0;i<>{//AccesstheroothubontheUSBbusandobtainthe//numberofUSBportsavailableontheroothub.Deviceroot=bus[i].getRootHub();inttotal_port=root.getNumPorts();//TraversethroughalltheUSBportsavailableonthe//roothub.Itshouldbementionedthatthenumbering//startsfrom1,not0.for(intj=1;j<=total_port;j++){//ObtaintheDeviceconnectedtotheport.Devicedevice=root.getChild(j);if(device!=null){

//USBdeviceavailable,dosomethinghere.}}}}catch(Exceptione){System.out.println(e.getMessage());}}清单2展示了在应用程序成功地找到了Device的条件下，如何与Interface和EndPoint进行批量I/O。这个代码段也可以修改为执行控制或者中断I/O。它对应于上述步骤5。清单2.用jUSBAPI执行批量I/Oif(device!=null){//ObtainthecurrentConfigurationofthedeviceandthenumberof//InterfacesavailableunderthecurrentConfiguration.Configurationconfig=device.getConfiguration();inttotal_interface=config.getNumInterfaces();//TraversethroughtheInterfacesfor(intk=0;k<>{//AccessthecurrentlyInterfaceandobtainthenumberof//endpointsavailableontheInterface.

Interfaceitf=config.getInterface(k,0);inttotal_ep=itf.getNumEndpoints();//Traversethroughalltheendpoints.//Accesstheendpoint,andobtainitsI/Otype.Endpointep=itf.getEndpoint(l);Stringio_type=ep.getType();booleaninput=ep.isInput();//Iftheendpointisaninputendpoint,obtainits//InputStreamandreadindata.5InputStreamin;in=ep.getInputStream();//Readindataherein.close();},„__s//OutputStreamandwriteoutdata.elseO…；

out=ep.getOutputStream();//Writeoutdatahere.out.close（）;}}}}jUSB项目在2000年6月到2001年2月期间非常活跃。该API的最新的版本0.4.4发表于2001年2月14日。从那以后只提出了很少的改进，原因可能是IBM小组成功地成为了Java语言的候选扩展标准。不过，基于jUSB已经开发出一些第三方应用程序，包括JPhoto项目（这是一个用jUSB连接到数码照相机的应用程序）和jSyncManager项目（这是一个用jUSB与使用Palm操作系统的PDA同步的应用程序）。JSR-80API（javax.usb）正如前面提到的，JSR-80项目是由IBM的DanStreetman于1999年创立的。2001年，这个项目通过Java规范请求（JSR）过程被接受为Java语言的候选扩展标准。这个项目现在称为JSR-80并且被正式分派了Java包javax.usb。这个项目使用CommonPublicLicense的许可证形式，并通过JavaCommunityProcess进行开发。这个项目的目标是为Java平台开发一个USB接口，可以从任何Java应用程序中完全访问USB系统。JSR-80API支持USB规范所定义的全部四种传输类型。目前，该API的Linux实现可以在支持2.4核心的大多数最新GNU/Linux版本上工作，如RedHat7.2和9.0。JSR-80项目包括三个包：javax-usb（javax.usbAPI）、javax-usb-ri（操作系统无关的基准实现的公共部分）以及javax-usb-ri-linux（Linux平台的基准实现，它将公共基准实现链接到LinuxUSB堆栈）。所有这三个部分都是构成Linux平台上java.usbAPI完整功能所必需的。在该项目的电子邮件列表中可以看到有人正在致力于将这个API移植到其他操作系统上（主要是MicrosoftWindows），但是还没有可以工作的版本发表。尽管JSR-80API的操作系统无关的实现在不同的操作系统上是不同的，但是Java程序员只需要理解javax.usb包就可以开始开发应用程序了。表2列出了javax.usb中的接口和类，Java程序员应该熟悉它们：表2.JSR-80API中的接口和类

UsbConfiguration表示USB设备的配置UsbConfigurationDescriptorUSB配置描述符的接口UsbDeviceUSB设备的接口UsbDeviceDescriptorUSB设备描述符的接口UsbEndpointUSB端点的接口UsbEndpointDescriptorUSB端点描述符的接口UsbHubUSBhub的接口UsbInterfaceUSB接口的接口UsbInterfaceDescriptorUSB接口描述符的接口UsbPipeUSB管道的接口UsbPortUSB端口的接口UsbServicesjavax.usb实现的接口UsbHostManagerjavax.usb的入口点用JSR-80API访问USB设备的正常过程如下：•通过从UsbHostManager得到相应的UsbServices进行Bootstrap0•通过UsbServices访问roothub。在应用程序中roothub就是一个UsbHub。•获得连接到roothub的UsbDevices清单。遍历所有低级hub以找到正确的UsbDevice。•用控制消息（UsbControlIrp）与UsbDevice直接交互，或者从UsbDevice的相应UsbConfiguration中要求一个Usblnterface并与该Usblnterface上可用的UsbEndpoint进行I/Oo•如果一个UsbEndpoint用于进行I/O,那么打开与它关联的UsbPipe。通过这个UsbPipe可以同步或者异步提交上行数据（从USB设备到主计算机）和下行数据（从主计算机到USB设备）。•当应用程序不再需要访问该UsbDevice时，关闭这个UsbPipe并释放相应的Usblnterfaceo在清单3中，我们用JSR-80API获得USB系统的内容。这个程序递归地遍历USB系统上的所有USBhub并找出连接到主机计算机上的所有USB设备。这段代码对应于上述步骤1到步骤3o清单3,用JSR-80API获得USB系统的内容importjavax.usb.*;

importjava.util.List;publicclassTraverseUSB{publicstaticvoidmain(Stringargv[]){try{//AccessthesystemUSBservices,andaccesstotheroot//hub.Thentraversethroughtheroothub.UsbServicesservices=UsbHostManager.getUsbServices();UsbHubrootHub=services.getRootUsbHub();traverse(rootHub);}catch(Exceptione){}}publicstaticvoidtraverse(UsbDevicedevice){if(device.isUsbHub()){//ThisisaUSBHub,traversethroughthehub.ListattachedDevices=((UsbHub)device).getAttachedUsbDevices();for(inti=0;i<>{traverse((UsbDevice)attachedDevices.get(i));

}}else{//ThisisaUSBfunction,notahub.//Dosomething.}}}清单4展示了在应用程序成功地找到Device后，如何与Interface和EndPoint进行I/O。这段代码还可以修改为进行所有四种数据传输类型的I/O。它对应于上述步骤4到步骤6。清单4,用JSR-80API进行I/OpublicstaticvoidtestIO(UsbDevicedevice){try{//AccesstotheactiveconfigurationoftheUSBdevice,obtain//alltheinterfacesavailableinthatconfiguration.UsbConfigurationconfig=device.getActiveUsbConfiguration();ListtotalInterfaces=config.getUsbInterfaces();//Traversethroughalltheinterfaces,andaccesstheendpoints//availabletothatinterfaceforI/O.for(inti=0;i<>

Usblnterfaceinterf=(Usblnterface)totallnterfaces.get(i);interf.claim();ListtotalEndpoints=interf.getUsbEndpoints();for(intj=0;j<>{//Accesstheparticularendpoint,determinethedirection//ofitsdataflow,andtypeofdatatransfer,andopenthe//datapipeforI/O.UsbEndpointep=(UsbEndpoint)totalEndpoints.get(i);intdirection=ep.getDirection();inttype=ep.getType();UsbPipepipe=ep.getUsbPipe();pipe.open();//PerformI/OthroughtheUSBpipehere.pipe.close();}interf.release();}}catch(Exceptione){}}JSR-80项目从一开始就非常活跃。2003年2月发表了javax.usbAPI、RI和RI的0.10.0版本。看起来这一版本会提交给JSR-80委员会做最终批准。预计正式成为Java语

言的扩展标准后，其他操作系统上的实现会很快出现。Linux开发者团体看来对JSR-80项目的兴趣比jUSB项目更大，使用Linux平台的javax.usbAPI的项目数量在不断地增加。结束语jUSBAPI和JSR-80API都为应用程序提供了从运行Linux操作系统的计算机中访问USB设备的能力。JSR-80API提供了比jUSBAPI更多的功能，很有可能成为Java