USBヒューマンインターフェースデバイスクラス

コンピューティングにおいて、USB ヒューマン インターフェイス デバイス クラス( USB HID クラス) は、コンピュータ周辺機器のUSB仕様の一部であり、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ゲーム コントローラ、英数字表示デバイスなどのヒューマン インターフェイス デバイスのデバイス クラス (コンピュータ ハードウェアの一種) を指定します。

USB HID クラスは、 USB Implementers Forumのデバイスワーキンググループが提供する多数のドキュメントで定義されています。USB HID クラスの説明に使用される主なドキュメントは、HID 1.11 のデバイスクラス定義です。^[1]

USB HID クラスは、ほぼすべての最新コンピューターで使用されるデバイスを表します。USB HID クラスには、多くの定義済み関数が存在します。これらの関数により、ハードウェア メーカーは USB HID クラス仕様に合わせて製品を設計し、これらの仕様を満たすソフトウェアで動作することを想定できます。

同じHIDプロトコルがBluetoothヒューマンインターフェースデバイスでも変更されずに使用されています。^[2] Bluetoothプロファイル仕様では、USB HIDドキュメントのみを参照するように指示されています。この意味では、これらのデバイスもUSB HIDクラスに属します。

キーボードは、一般的な USB HID クラス デバイスの 1 つです。USB HID クラス キーボードは通常、キーストロークをコンピューターに伝える IN エンドポイントと、キーボードの LED の状態をコンピューターからキーボードに伝える OUT エンドポイントを備えて設計されています。PC 97標準では、コンピューターのBIOS が、ブート プロセス中に使用するように設計された USB HID クラス キーボードを検出して操作することが求められています。

一部のキーボードは、USB デバイス クラス定義 (HID) v1.11 で指定されているUSB ブート キーボードプロファイルを実装し、ブート プロトコルを使用するように明示的に構成されています。これらは6 キー ロールオーバー(6KRO) に制限されており、キーボードがポーリングされるたびに CPU に割り込みが掛かります (状態の変化がない場合でも)。ただし、USB コントローラーがキーボードに否定応答で応答するようにプログラムされている場合は例外です。USB コントローラーは、報告すべき状態の変化がない場合、CPU に割り込まずにハードウェアでこれを破棄します。このプロファイルは、USB 対応のオペレーティング システムがない場合でも、BIOS が USB キーボードを処理できるようにするためのものです。この仕様でブートモードではないキーボードの推奨プロファイルは、キーボードを 6KRO に制限し、状態の変化がない場合でも少なくとも半秒ごとに割り込みに応答してステータス レポートを返すようにし、USB コントローラーが状態の変化が報告されないときは常に否定応答を返すようにキーボードに指示するようにプログラムされていない限り、タイプマティック (キーが十分長く押されたときにスキャンコードを繰り返す) を実装します。ただし、非ブート モードのキーボードは、代替の HID プロファイルを自由に実装できます。^[1]

上記の動作は、 nキー ロールオーバー (NKRO) をサポート可能なキーボードでこれをサポート するPS/2インターフェイスとは対照的です。

コンピュータ マウスも、一般的な USB HID クラス デバイスです。USB HID マウスは、ボタンが 1 つだけのシンプルなデバイスから、ボタンが複数ある複合デバイスまでさまざまです。最新のオペレーティング システムには、標準の HID マウス デザイン用のドライバーが付属しています (最も一般的な最新のマウス デザインには、専用のボタンが 2 つと、 3 番目のボタンとしても機能するマウス ホイールがあります)。拡張機能を備えたマウスには、製造元からのカスタム ドライバーが必要です。

USB マウスは PS/2 マウスよりもレイテンシが低くなっています。これは、標準の USB マウスはデフォルトのレートである 125 Hz でポーリングされることが多いのに対し、標準の PS/2 マウスはコンピューターに送信するデータがある場合にデフォルトのレートである 100 Hz で割り込みを送信するためです。 ^{[3] [4]また、USB マウスは、USB HID 仕様のマウス デバイスのデフォルト プロファイルに従って、報告するステータスの変更がない場合、USB コントローラーがシステムに割り込みをかけることはありません。 [1]} PS/2 と USB の両方でサンプル レートのオーバーライドが可能で、USB マウスがフルスピード以上の USB 速度で動作している限り、PS/2 は最大 200 Hz ^[5]のサンプリング レートをサポートし、USB は最大 1 kHz ^[3]のポーリング レートをサポートします。

最近のゲーム コントローラやジョイスティックは、多くの場合、USB HID クラス デバイスです。従来のゲーム ポートデバイスとは異なり、USB HID クラス ゲーム デバイスは通常、機能するために専用ドライバーを必要としません。デバイスがドライバーと USB HID クラス仕様に基づいて設計されている限り、ほぼすべてのゲーム デバイスはオンボード ドライバーを使用して機能します。

USB HID クラス仕様では、USB HID クラスの下に無数のデバイスが許容されています。例としては、自動車シミュレーション コントローラ、エクササイズ マシン、電話デバイス、温度計、オーディオ コントロール、医療機器などがあります。無停電電源装置やソフトウェア保護ドングル^[6]も、ヒューマン インターフェイスがまったくないことが多いにもかかわらず、このクラスに属していると宣言しています。設計者が USB HID クラスの論理仕様を満たしていれば、どのデバイスも USB HID クラス デバイスになることができます。これは、これらのデバイス用のドライバを出荷する必要がないということや、オペレーティング システムがデバイスをすぐに認識するという意味ではありません。これは、デバイスがヒューマン インターフェイス デバイス クラスに属していると宣言できるということだけを意味します。

USB インターフェースは、USB の多種多様なデバイスを接続できる機能、デバイスが実際にそのデバイスであるかどうかを確認できないこと、USB デバイスが接続中にタイプを変更したり追加のサブデバイスを通知したりする可能性、接続されたすべてのデバイスを受け入れるというデフォルトの動作の組み合わせを悪用する BadUSB などのセキュリティ エクスプロイトに対して脆弱です。部分的な対策として、すべての USB ポートを無効にするとともに、代わりに PS/2 周辺機器を使用することもできます。^[7]

USB HID クラスのような明確に定義された仕様の利点の 1 つは、ほとんどの最新のオペレーティング システムで使用できるデバイス ドライバーが豊富にあることです。USB HID クラスのデバイスとその基本機能は、特定のソフトウェアを考慮せずに USB-IF ドキュメントで定義されています。これらの一般的な説明により、オペレーティング システムの設計者は、キーボード、マウス、その他の一般的なヒューマン インターフェイス デバイスなどのデバイス用の機能ドライバーを簡単に組み込むことができます。これらの一般的なドライバーを組み込むことで、デバイスの展開が速くなり、エンド ユーザーによるインストールが容易になります。Windows 98 は、 USB HID をサポートした最初のバージョンの Windows でした。

USB ヒューマン インターフェイス デバイス クラスは、デバイス クラスとインターフェイス クラスの両方を記述するために使用できます。インターフェイス クラスは、USB デバイスに複数の機能を含めることができる場合に使用されます。したがって、2 つの異なるインターフェイスを同時に持つ USB デバイスが存在する可能性があります (たとえば、USB 電話では、HID クラスでカバーされるキーパッドと、USB 通信デバイス クラスでカバーされるスピーカーを使用できます)。

インターフェース デバイスもサブクラス記述子で定義されます。サブクラス記述子は、デバイスがブート可能であることを宣言するために使用されます。ブート デバイスは、基本プロトコルへの最低限の準拠を満たしており、コンピューターのBIOSによって認識されます。

各 USB HID インターフェイスは、制御パイプまたは割り込みパイプのいずれかを使用してホストと通信します。アイソクロナスパイプとバルクパイプは、HID クラス デバイスでは使用されません。列挙には IN および OUT 制御転送の両方が必要ですが、HID レポートには IN 割り込み転送のみが必要です。OUT 割り込み転送は、HID クラス デバイスではオプションです。

USB HID クラスでは、現在および将来のすべてのヒューマン インターフェイス デバイスを正確に予測および定義するために、すべてのデバイスがホスト デバイスと通信する方法を記述する必要があります。列挙中に、デバイスはレポートの構造を記述して、ホスト デバイスがこの情報を適切に受信できるように準備します。

ホストは、動作中にデバイスの割り込み IN エンドポイントを定期的にポーリングします。デバイスが送信するデータを持っている場合、レポートを作成し、ポーリング トークンへの応答として送信します。キーボードやマウスなどの一般的なデバイスは、USB Implementers Forum (USB-IF) によって設定された標準に準拠したレポートを送信します。^[8]ベンダーがカスタム USB HID クラス デバイスを作成する場合、デバイスによって作成されたレポートは、列挙中に指定されたレポートの説明とホスト システムにインストールされているドライバーと一致する必要があります。このようにして、USB HID クラスを非常に柔軟にすることができます。

USB HID に関連する API には、USB レベルとオペレーティング システムレベルの 2 つのレベルがあります。USB レベルには、デバイスが機能を通知するためのプロトコルと、取得したデータを解析するためのオペレーティング システムがあります。オペレーティング システムは、アプリケーションに高レベルのビューを提供します。アプリケーションは、個々のデバイスではなく、デバイスのクラスをサポートする必要はありません。この抽象化レイヤーにより、ゲームは任意の USB コントローラー (ゲームの後に作成されたコントローラーも含む) で動作できます。

• USB オンザゴー(OTG)

• USB.org: USB Implementers Forum, Inc. のホームページ。
• USB の概要
• USB-IF HIDツール: USB-IFのヒューマンインターフェースデバイス専用のページ。承認されたすべてのドキュメントが含まれています。
• Lakeview Research HID ページ: USB HID デバイスに関する記事とサンプル コードのコレクション。
• PC システム ガイド: Microsoft の PC システム仕様 (例: PC '97、PC '98)