在Java应用程序中访问USB设备(1)

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(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。