java 平臺一直都以其平臺無關(guān)性自豪。雖然這種無關(guān)性有許多好處，但是它也使得編寫與硬件交互的 Java 應(yīng)用程序的過程變得相當(dāng)復(fù)雜。在本文中，研究科學(xué)家蔣清野討論了兩個項目，它們通過提供使Java 應(yīng)用程序可以使用 USB 設(shè)備的 API 而使這個過程變得更輕易。雖然這兩個項目仍然處于萌芽狀態(tài)，但是它們都顯示了良好的前景，并已經(jīng)成為一些實用應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。

通用串行總線(Universal Serial Bus USB)規(guī)范的第一個版本發(fā)表于 1996年 1月。因為它的低成本、高數(shù)據(jù)傳輸率、使用輕易和靈活性，USB 在計算機(jī)行業(yè)里獲得了廣泛接受。今天，許多周邊設(shè)備和裝置都是通過 USB 接口連接到計算機(jī)上的。目前，大多數(shù)一般用途的操作系統(tǒng)都提供了對 USB 設(shè)備的支持，并且用 C 或者 C++ 可以相對輕易地開發(fā)訪問這些外設(shè)的應(yīng)用程序。不過，Java 編程語言在設(shè)計上對硬件訪問提供的支持很少，所以編寫與 USB 設(shè)備交互的應(yīng)用程序是相當(dāng)困難的。

IBM 的 Dan Streetman 最早開始了在 Java 語言中提供對 USB 設(shè)備的訪問的努力。2001年，他的項目通過 Java 規(guī)范請求(Java Specification Request，JSR)過程被接受為 Java 語言的候選擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。這個項目現(xiàn)在稱為 JSR-80 并且指定了官方包 javax.usb。同時，在 2000年 6月，Mojo Jojo 和 David Brownell 在 SourceForge 開始了 jUSB 項目。這兩個項目都開發(fā)出了 linux 開發(fā)人員可以使用的包，盡管它們都還很不完善。這兩個項目也都開始試圖向其他操作系統(tǒng)上的 Java 應(yīng)用程序提供對 USB 設(shè)備的訪問，盡管它們都還沒有開發(fā)出可以使用的包(參閱 參考資料 中有關(guān)本文中討論的這兩個項目及其他項目的資料)。

在本文中，將對 jUSB 和 JSR-80 項目作一個簡要介紹，不過，我們首先要看一下 USB 協(xié)議的具體細(xì)節(jié)，這樣您就可以理解這兩個項目是如何與 USB 設(shè)備交互的。我們還將提供代碼片段以展示如何用這兩個項目的 API 訪問 USB 設(shè)備。

USB 介紹

1994年，一個由四個行業(yè)伙伴(Compaq、Intel、Microsoft 和 NEC)組成的聯(lián)盟開始制定 USB 協(xié)議。該協(xié)議最初的目的是將 PC 與電話相連并提供輕易擴(kuò)展和重新配置的 I/O 接口。1996年 1月，發(fā)表了 USB 規(guī)范的第一個版本，1998年 9月發(fā)表了后續(xù)版本(版本 1.1)。這個規(guī)范答應(yīng) 127臺設(shè)備同時連接到一起，總的通信帶寬限制為 12 Mbps。后來，又有三個成員(Hewlett-Packard、LUCent 和 Philips)加入了這個聯(lián)盟。2000年 4月，發(fā)表了 USB 規(guī)范的 2.0版本，它支持高達(dá) 480 Mbps 的傳輸率。今天，USB 在高速(視頻、圖像、儲存)和全速(音頻、寬帶、麥克風(fēng))數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中起了要害作用。它還使各種低速設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、游戲外設(shè)、虛擬現(xiàn)實外設(shè))連接到 PC 上。

USB 協(xié)議有嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)。在所有 USB 系統(tǒng)中，只有一個主設(shè)備，到主計算機(jī)的的 USB 接口稱為主控器(host controller)。主控器有兩個標(biāo)準(zhǔn)??開放主控器接口(Compaq 的 Open Host Controller Interface，OHCI)和通用主控器接口(Intel 的 Universal Host Controller Interface，UHCI)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)提供了同樣的能力，并可用于所有的 USB 設(shè)備，UHCI 的硬件實現(xiàn)更簡單一些，但是需要更復(fù)雜的設(shè)備驅(qū)動程序(因而 CPU 的負(fù)荷更大一些)。

USB 物理互連是分層的星形拓樸，最多有七層。一個 hub 是每個星形的中心，USB 主機(jī)被認(rèn)為是 root hub。每一段連線都是 hub 與 USB 設(shè)備的點對點連接，后者可以是為系統(tǒng)提供更多附加點的另一個 hub，也可以是一個提供功能的某種設(shè)備。主機(jī)使用主/從協(xié)議與 USB 設(shè)備通信。這種方式解決了包沖突的問題，但是同時也阻止了附加的設(shè)備彼此建立直接通信。

所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是由主控器發(fā)起的。數(shù)據(jù)從主機(jī)流向設(shè)備稱為下行(downstream)或者輸出(out)傳輸，數(shù)據(jù)從設(shè)備流向主機(jī)稱為上 行(upstream)或者輸入(in)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在主機(jī)和 USB 設(shè)備上特定的端點(endpoint) 之間，主機(jī)與端點之間的數(shù)據(jù)鏈接稱為管道(pipe)。 一個給定的 USB 設(shè)備可以有許多個端點，主機(jī)與設(shè)備之間數(shù)據(jù)管道的數(shù)量與該設(shè)備上端點的數(shù)量相同。一個管道可以是單向或者是雙向的，一個管道中的數(shù)據(jù)流與所有其他管道中的數(shù)據(jù)流無關(guān)。

USB 網(wǎng)絡(luò)中的通信可以使用下面四種數(shù)據(jù)傳輸類型中的任意一種：

控制傳輸： 這些是一些短的數(shù)據(jù)包，用于設(shè)備控制和配置，非凡是在設(shè)備附加到主機(jī)上時。

批量傳輸： 這些是數(shù)量相對大的數(shù)據(jù)包。像掃描儀或者 SCSI 適配器這樣的設(shè)備使用這種傳輸類型。

中斷傳輸： 這些是定期輪詢的數(shù)據(jù)包。主控器會以特定的間隔自動發(fā)出一個中斷。

等時傳輸： 這些是實時的數(shù)據(jù)流，它們對帶寬的要求高于可靠性要求。音頻和視頻設(shè)備一般使用這種傳輸類型。

像串行端口一樣，計算機(jī)上每一個 USB 端口都由 USB 控制器指定了一個惟一的標(biāo)識數(shù)字(端口 ID)。當(dāng) USB 設(shè)備附加到 USB 端口上時，就將這個 惟一端口 ID 分配給這臺設(shè)備，并且 USB 控制器會讀取設(shè)備描述符。設(shè)備描述符包括適用于該設(shè)備的全局信息、以及設(shè)備的配置信息。配置定義了一臺 USB 設(shè)備的功能和 I/O 行為。一臺 USB 設(shè)備可以有一個或者多個配置，這由它們相應(yīng)的配置描述符所描述。每一個配置都有一個或者多個接口，它可以視為一個物理通信渠道 ；每一個接口有零個或者多個端點，它可以是數(shù)據(jù)提供者或者數(shù)據(jù)消費者，或者同時具有這兩種身份。接口由接口描述符描述，端點由端點描述符描述。并且一臺 USB 設(shè)備可能還有字符串描述符以提供像廠商名、設(shè)備名或者序列號這樣的附加信息。

正如您所看到的，像 USB 這樣的協(xié)議為使用 Java 這種強(qiáng)調(diào)平臺和硬件無關(guān)性的語言的開發(fā)人員提出了挑戰(zhàn)。現(xiàn)在讓我們看兩個試圖解決這個問題的項目。

jUSB API

jUSB 項目是由 Mojo Jojo 和 David Brownell 于 2000年 6月創(chuàng)立的。其目標(biāo)是提供一組免費的、在 Linux 平臺上訪問 USB 設(shè)備的 Java API。這個 API 是按照 Lesser GPL (LGPL)條款發(fā)表的，這意味著您可以在專有和免費軟件項目中使用它。這個 API 提供了對多個物理 USB 設(shè)備的多線程訪問，并支持本機(jī)和遠(yuǎn)程設(shè)備。具有多個接口的設(shè)備可以同時被多個應(yīng)用程序(或者設(shè)備驅(qū)動程序)所訪問，其中每一個應(yīng)用程序(或者設(shè)備驅(qū)動程序)都占據(jù)一個不同的接口。該 API 支持控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸，不支持等時傳輸，因為等時傳輸用于媒體數(shù)據(jù)(如音頻和視頻)，JMF API 已經(jīng)在其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序上對此提供了很好的支持(參閱 參考資料)。當(dāng)前，該 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。因此可支持大多數(shù)最新的版本，例如，該 API 可以在沒有任何補(bǔ)丁或者升級的 Red Hat 7.2 和 9.0 上工作。

jUSB API 包括以下包：

　

1.usb.core: 這個包是 jUSB API 的核心部分。它使得 Java 應(yīng)用程序可以從 USB 主機(jī)訪問 USB 設(shè)備。

2.usb.linux: 這個包包含 usb.core.Host 對象的 Linux 實現(xiàn)、bootstrapping 支持和其他可以提升 Linux USB 支持的類。這個實現(xiàn)通過虛擬 USB 文件系統(tǒng)(usbdevfs)訪問 USB 設(shè)備。

3.usb.windows: 這個包包含 usb.core.Host 對象的 Windows 實現(xiàn)、bootstrapping 支持和其他可以提升 Windows USB 支持的類。這個實現(xiàn)仍然處于非常初級的階段。

4.usb.remote: 這個包是 usb.core API 的遠(yuǎn)程版本。它包括一個 RMI PRoxy 和一個 daemon 應(yīng)用程序，它讓 Java 應(yīng)用程序可以訪問遠(yuǎn)程計算機(jī)上的 USB 設(shè)備。

5.usb.util: 這個包提供了一些有用的實用程序，可以將 firmware下載到 USB 設(shè)備上、將 USB 系統(tǒng)的內(nèi)容轉(zhuǎn)儲到 xml 中、以及將只有 bulk I/O 的 USB 設(shè)備工具轉(zhuǎn)換成一個套接字(socket)。

6.usb.devices: 這個可選包收集了用 jUSB API 訪問不同 USB 設(shè)備的 Java 代碼，包括柯達(dá)數(shù)碼相機(jī)和 Rio 500 mp3 播放器。這些 API 經(jīng)過非凡編寫以簡化訪問特定 USB 設(shè)備的過程，并且不能用于訪問其他設(shè)備。這些 API 是在 usb.core API 之上構(gòu)建的，它們可以工作在所有支持 jUSB 的操作系統(tǒng)上。

7.usb.view: 這個可選包提供了基于 Swing 的 USB 樹簡單瀏覽器。它是一個展示 jUSB API 應(yīng)用的很好的示例程序。

盡管 usb.core.Host 對象的實現(xiàn)對于不同的操作系統(tǒng)是不同的，但是 Java 程序員只需要理解 usb.core 包就可以用 jUSB API 開始應(yīng)用程序的開發(fā)。表 1 列出了 usb.core 的接口和類，Java 程序員應(yīng)該熟悉它們：

表 1. jUSB 中的接口和類