在 Java 应用程序中访问 USB 设备

介绍 USB、jUSB 和 JSR-80

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。

蒋清野研究科学家, HappyFox Engineering Solutions

2003 年 10 月 25 日

通用串行总线(Universal Serial Bus USB)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 Dan Streetman 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(Java Specification Request，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，Mojo Jojo 和 David Brownell 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 12 Mbps。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 480 Mbps 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(host controller)。主控器有两个标准――开放主控器接口(Compaq 的 Open Host Controller Interface，OHCI)和通用主控器接口(Intel 的 Universal Host Controller 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 root hub。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(in)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。

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jUSB API

jUSB 项目是由 Mojo Jojo 和 David Brownell 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 Java API。这个 API 是按照 Lesser GPL (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)，JMF API 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 Linux 2.4 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 Red Hat 7.2 和 9.0 上工作。

jUSB API 包括以下包：

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 jUSB API 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

清单 1 展示了如何用 jUSB API 获得 USB 系统中的内容。这个程序编写为只是查看 root hub 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 4。

清单 1. 用 jUSB API 获得 USB 系统的内容

import usb.core.*;
 
public class ListUSB
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            // Bootstrap by getting the USB Host from the HostFactory.
            Host   host = HostFactory.getHost();
 
            // Obtain a list of the USB buses available on the Host.
            Bus[]  bus  = host.getBusses();
            int    total_bus = bus.length;
 
            // Traverse through all the USB buses.
            for (int i=0; i<total_bus; i++)
            {
                // Access the root hub on the USB bus and obtain the
                // number of USB ports available on the root hub.
                Device root = bus[i].getRootHub();
                int total_port = root.getNumPorts();
 
                // Traverse through all the USB ports available on the 
                // root hub. It should be mentioned that the numbering 
                // starts from 1, not 0.
                for (int j=1; j<=total_port; j++)
                {
                    // Obtain the Device connected to the port.
                    Device device = root.getChild(j);
                    if (device != null)
                    {
                        // USB device available, do something here.
                    }
                }
            }
        } catch (Exception e)
        {
            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 jUSB API 执行批量 I/O

if (device != null)
   {
       // Obtain the current Configuration of the device and the number of 
       // Interfaces available under the current Configuration.
       Configuration config = device.getConfiguration();
       int total_interface = config.getNumInterfaces();
 
       // Traverse through the Interfaces
       for (int k=0; k<total_interface; k++)
       {
           // Access the currently Interface and obtain the number of 
           // endpoints available on the Interface. 
           Interface itf = config.getInterface(k, 0);
           int total_ep  = itf.getNumEndpoints();
 
           // Traverse through all the endpoints.
           for (int l=0; l<total_ep; l++)
           {
               // Access the endpoint, and obtain its I/O type.
               Endpoint ep = itf.getEndpoint(l);
               String io_type = ep.getType();
               boolean input  = ep.isInput();
 
               // If the endpoint is an input endpoint, obtain its
               // InputStream and read in data.
               if (input)
               {
                   InputStream in;
                   in = ep.getInputStream();
                   // Read in data here
                   in.close();
               }
               // If the Endpoint is and output Endpoint, obtain its 
               // OutputStream and write out data.
               else
               {
                   OutputStream out;
                   out = ep.getOutputStream();
                   // Write out data here.
                   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)。

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JSR-80 API (javax.usb)

正如前面提到的，JSR-80 项目是由 IBM 的 Dan Streetman 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 Common Public License 的许可证形式，并通过 Java Community Process 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-80 API 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 Red Hat 7.2 和 9.0。JSR-80 项目包括三个包： javax-usb ( javax.usb API)、 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 Linux USB 堆栈)。所有这三个部分都是构成 Linux 平台上 java.usb API 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 Microsoft Windows)，但是还没有可以工作的版本发表。尽管 JSR-80 API 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-80 API 中的接口和类

用 JSR-80 API 访问 USB 设备的正常过程如下：

在清单 3 中，我们用 JSR-80 API 获得 USB 系统的内容。这个程序递归地遍历 USB 系统上的所有 USB hub 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 3。

清单 3. 用 JSR-80 API 获得 USB 系统的内容

import javax.usb.*;
import java.util.List;
 
public class TraverseUSB
{
        public static void main(String argv[])
        {
          try
          {
              // Access the system USB services, and access to the root 
              // hub. Then traverse through the root hub.
              UsbServices services = UsbHostManager.getUsbServices();
              UsbHub rootHub = services.getRootUsbHub();
              traverse(rootHub);
          } catch (Exception e) {}
        }
 
        public static void traverse(UsbDevice device)
        {
          if (device.isUsbHub())
          {   
             // This is a USB Hub, traverse through the hub.
             List attachedDevices = 
                 ((UsbHub) device).getAttachedUsbDevices();
             for (int i=0; i<attachedDevices.size(); i++)
             {
               traverse((UsbDevice) attachedDevices.get(i));
             }
          }
          else
          {
             // This is a USB function, not a hub.
             // Do something.
          }
        }
}

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-80 API 进行 I/O

public static void testIO(UsbDevice device)
{
    try
    {
       // Access to the active configuration of the USB device, obtain 
       // all the interfaces available in that configuration.
       UsbConfiguration config = device.getActiveUsbConfiguration();
       List totalInterfaces = config.getUsbInterfaces();
        
       // Traverse through all the interfaces, and access the endpoints 
       // available to that interface for I/O.
       for (int i=0; i<totalInterfaces.size(); i++)
       {
          UsbInterface interf = (UsbInterface) totalInterfaces.get(i);
          interf.claim();
          List totalEndpoints = interf.getUsbEndpoints();
          for (int j=0; j<totalEndpoints.size(); j++)
          {
             // Access the particular endpoint, determine the direction
             // of its data flow, and type of data transfer, and open the 
             // data pipe for I/O.
             UsbEndpoint ep = (UsbEndpoint) totalEndpoints.get(i);
             int direction = ep.getDirection();
             int type = ep.getType();
             UsbPipe pipe = ep.getUsbPipe();
             pipe.open();
             // Perform I/O through the USB pipe here.
             pipe.close();
          }
          interf.release();
       }
    } catch (Exception e) {} 
}

JSR-80 项目从一开始就非常活跃。2003年 2月发表了 javax.usb API、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.usb API 的项目数量在不断地增加。

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结束语

jUSB API 和 JSR-80 API 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-80 API 提供了比 jUSB API 更多的功能，很有可能成为 Java 语言的扩展标准。目前，只有 Linux 开发人员可以利用 jUSB 和 JSR-80 API 的功能。不过，有人正在积极地将这两种 API 移植到其他操作系统上。Java 开发人员应该在不久就可以在其他操作系统上访问 USB 设备。从现在起就熟悉这些 API，当这些项目可以在多个平台上发挥作用时，您就可以在自己的应用程序中加入 USB 功能了。

参考资料

• 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文.
• 有关 USB 规范的更多信息，请访问 USB.org。
• 访问 SourceForge 上的 jUSB 项目主页。
• 有关 JSR-80 项目的更多信息，请访问其 主页或者其 在 Java Community Process 中的页面。
• 查找更多有关 jPhoto 项目的内容。
• 了解 jSyncManager项目。
• 有关 JMF 项目的更多内容，参阅 Eric Olson 的全面性的“ Java Media Framework 基础”教程(developerWorks，2002年 5月)。
• 可以在 developerWorks Java 技术专区 中找到关于 Java 编程各个方面的数百篇文章。
• 加入 developerWorks 中文社区，查看开发人员推动的博客、论坛、组和维基，并与其他 developerWorks 用户交流。

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http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-usb/