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基于TUSB6020的USB OTG接口設計
岳路 馬志強 蔡勇 韓倩
摘要： 首先介紹了TUSB6020的功能特性及內(nèi)部結構，闡述了TUSB6020的工作原理，分析了TUSB6020與外部主機的連接方式，提出了一種TMS320DM6437與TUSB6020的USB OTG接口設計方案，其中包括硬件設計與軟件設計兩部分，實現(xiàn)了與TMS320DM6437的連接。該接口設計可以廣泛應用于各種便攜式、嵌入式系統(tǒng)中，從而可靠便捷地實現(xiàn)USB OTG功能。
Abstract：
Key words :

    2001年底，title="USB">USB開發(fā)者論壇發(fā)布了USB2.0補充規(guī)范USB OTG（On-The-GO），解決了兩個關鍵的問題：一是雙角色的USB外設,二是供電問題，從而實現(xiàn)了便攜設備間無主機的數(shù)據(jù)傳輸 [1-2]。目前，TI公司推出的高速USB2.0 OTG雙功能控制器TUSB6020，是一種小型解決方案，既能作為針對USB外設的功能控制器使用，又能作為點對點或點對多點通信中的主機/外設工作。本文在此基礎上研究TMS320DM6437與TUSB6020的USB OTG的接口設計方案。

1 TUSB6020的特性、內(nèi)部結構及其工作原理

1.1 TUSB6020特性和內(nèi)部結構

    TUSB6020采用最小5×5mm封裝，符合USBG2.0 OTG規(guī)范，具有以下關鍵特性:

  •  SRP和主機流通協(xié)議HNP。
  • 提供多種工作速率，包括 1.5Mbps低速率、12Mbps全速率和 480Mbps高速率。
  •  VBUS短路的保護電路。
  •  片上集成可切換的上拉和下拉電阻。
  •  片上鎖相環(huán)可降低高速時鐘噪聲。
  •  電源耗電量小于100mW。

    圖1為TUSB6020的內(nèi)部結構。TUSB6020主要模塊有USB 2.0 PHY模塊、電源/復位/時鐘控制模塊（PRCM）、USB2.0 OTG控制模塊及VLYNQ外部主機接口模塊等。功能參見文獻[3]。

1.2 TUSB6020工作原理

    TUSB6020工作狀態(tài)分為復位狀態(tài)、空閑狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，USB2.0 PHY掛起；正常工作狀態(tài)下，使能USB2.0 PHY，從而使能VBUS檢測電路和ID檢測電路。不妨設TUSB6020為OTG主機設備（A設備），對方USB設備作為OTG從機設備（B設備），分析對話請求協(xié)議SRP和主機通信協(xié)議HNP的工作過程。
    B設備向A設備發(fā)起SRP會話的條件是：(1)VBUS跌落到會話有效閥值0.8V以下；(2)DM/DP維持低電平SEO狀態(tài)至少2ms。之后，B設備開始發(fā)起SRP請求，如圖2所示。 
 

 

 
 
 
 
    工作步驟如下：（1）B設備將上拉電阻接入 DM/DP并持續(xù)5-10ms；（2）B設備驅(qū)動 VBUS足夠長的一段時間直到 VBUS大于會話有效閥值0.8V；（3）A設備檢測到 DM/DP或 VBUS升高，開啟 VBUS電源給 B設備供電；（4）A設備復位總線對 B設備進行枚舉配置，開始傳輸任務。
    HNP協(xié)議用來控制A、B兩設備主從角色的轉(zhuǎn)換。A設備查詢B設備的OTG性能描述符，以判斷B設備是否為OTG設備，若B設備為OTG設備，返回有效的性能描述符，A設備向B設備發(fā)送Set feature命令，然后掛起總線，等待B設備的HNP請求。如圖3所示。

    工作流程可以歸納為：（1）A設備掛起總線，DM/DP為高電平；（2）B設備收到Set feature命令，在總線掛起后斷開它的DM/DP上拉電阻，將總線釋放到SEO狀態(tài)；（3）A設備檢測到SEO狀態(tài)后響應，連接它的DM/DP上拉電阻；（4）B設備在檢測到DM/DP變高后，開始以主機方式工作，B設備復位總線，開始使用總線；（5）B設備使用完總線后，停止總線活動掛起總線，DM/DP再次變?yōu)楦唠娖?；?）A設備檢測到總線空閑后，斷開DM/DP上拉電阻；（7）B設備檢測DM/DP變低后，連接DM/DP上拉電阻；（8）A設備等待DM/DP變高后，表明B設備已準備回到從機狀態(tài)，A設備從新成為主機復位總線，開始使用總線。2 “達芬奇”處理器 TMS320DM6437與 TUSB6020的接口設計
    TMS320DM6437是達芬奇技術中首批僅基于DSP的產(chǎn)品，集成有600MHz時鐘的C64x+增強型DSP核心、視頻處理子系統(tǒng)(VPS)以及豐富的外圍接口，支持通用USB2.0和VLYNQ高速傳輸總線，以低于以往的價位提供了更高的處理性能。

 2.1 硬件設計

     TUSB6020與 TMS320DM6437硬件連接的電路圖如圖 4所示。


    TUSB6020的DM/DP、ID和VBUS引腳與USBmicroAB連接器相連，建立與對方 USB設備的物理連接，其中 VBUS 5V電壓由 VBUS電源開關提供，CPEN連接至它 EN引腳用以提供電源開關使能信號。雙電源調(diào)節(jié)器向 TUSB6020提供 3.3V和 1.5V的數(shù)字、模擬電壓[4]。
     VLYNQ接口引腳詳細描述如下：（1）TUSB6020的 VLYNQ CLK接外部時鐘，VLYNQ控制寄存器中的 CLKDIR比特位設置為 1，VLYNQ接口時鐘由 DM6437系統(tǒng)時鐘提供。（2）VLYNQ SCRUN為 VLYNQ時鐘運行請求引腳，低電平表示允許 VLYNQ時鐘運行，高電平表示傳輸事務結束，VLYNQ時鐘運行停止。（3）TMS320DM6437寫操作時，將數(shù)據(jù)壓縮、地址編譯，經(jīng)串行編碼后由 VLYNQTXD[0:3]發(fā)出，TUSB6020將數(shù)據(jù)進行串行解碼和解壓縮后讀取地址，將數(shù)據(jù)寫入指定寄存器。（4）TMS320DM6437讀操作時，由 VLYNQ TXD[0:3]發(fā)送讀請求數(shù)據(jù)包，TUSB6020收到請求后，將數(shù)據(jù)壓縮和串行編碼后由 VLYNQ TXD[0:3]發(fā)往TMS320DM6437。（5）VLYNQ接口的數(shù)據(jù)收發(fā)與VLYNQ串行時鐘同步。

2.2 軟件設計
2.2.1 TMS320DM6437和TUSB6020底層通信的實現(xiàn)

    TMS320DM6437和TUSB6020底層通信是整個USB體系軟件的根基，包括了DM6437對TUSB6020的讀、寫、設定地址等操作,主要通過 DM6437訪問 TUSB6020的控制寄存器來完成。下面是寫TUSB6020控制寄存器的部分程序代碼。

void TUSB6020_Write_Reg(Uint32*OTG_base_addr，Uint32 offset，Uint8 size，Uint32 data)
{
Uint32 tmp_addr=0;
Uint16 tmp_data=0;
…
{…
case 16:
tmp_addr=*OTG_base_addr;

tmp_addr=tmp_addr+offset;
tmp_data=(Uint16)data;
(*(volatile Uint16*)tmp_addr)=data;
break;
…/*Todo Print Error Message*/
break;
}
}

2.2.2 TUSB6020驅(qū)動程序設計
    圖 5為 DSP/BIOS外設驅(qū)動模型。TI公司的DSP／BIOS外設驅(qū)動模型分為兩層三類，即：類驅(qū)動層和微型驅(qū)動層，PIP/PI0類、SIO／DIO類和 GI0類，結構圖如圖5所示。
 
    PIO模型具有良好的緩沖器分配回收機制，適合描述視頻設備，SIO模型支持更底層的通信，適合設計比較簡單的外設驅(qū)動程序，GIO模型設計的目的就是針對特殊硬件的新型設備，因此，TUSB6020類驅(qū)動程序的設計選用 GIO模型。
    GIO模型在提供必要的同步讀／寫API函數(shù)及其擴展函數(shù)的同時，將代碼和使用數(shù)據(jù)緩存的大小盡量簡化，應用程序可以調(diào)用 GIO的 API函數(shù)直接與微型驅(qū)動的 IOM交換數(shù)據(jù)。當調(diào)用GIO_create創(chuàng)建 TUSB6020的通道實例時，GIO在通道實例中增加I／O請求狀態(tài)結構、IOM數(shù)據(jù)包(TUSB6020_USB_Packets)及一個 GIO數(shù)據(jù)對象。
    微型驅(qū)動創(chuàng)建規(guī)定的函數(shù)，應用程序通過 GIO類驅(qū)動調(diào)用，這些函數(shù)將放入TUSB6020_USB_fxns中的相應位置，供應用程序通過 GIO類驅(qū)動調(diào)用。TMS320DM6437初始化時調(diào)用已注冊到微型驅(qū)動中的 mdBindDev綁定通道函數(shù)。mdBindDev函數(shù)實現(xiàn)下列功能：根據(jù)配置的 TUSB6020設備參數(shù)初始化 TUSB6020設備，掛入中斷服務函數(shù)，獲得緩存、DMA等資源；與其對應的 mdUnBindDev綁定通道解除函數(shù)使 TUSB6020設備處于無效狀態(tài)，不能再使用；mdCreateChan通道創(chuàng)建函數(shù)為應用程序和驅(qū)動程序建立通信通道，并給通道對象設置初始值，為通道申請緩沖區(qū)；mdDeleteChan通道刪除函數(shù)刪除已創(chuàng)建好的通道對象，釋放緩沖區(qū)資源；mdSubmitChan I/O請求發(fā)送函數(shù)負責管理緩沖區(qū)，處理 TUSB6020_USB_Packet包中的命令字段；mdControlChan設備控制函數(shù)用來操作 TUSB6020設備，完成 OTG角色轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

3 小結
    TUSB6020節(jié)省芯片資源，功耗低，架構簡潔，接口靈活，兼容性好。本文介紹了TUSB6020的功能特性、內(nèi)部結構和TUSB6020的工作原理，分析了TUSB6020與外部主機的連接方式，提出了一種TMS320DM6437與TUSB6020的USB OTG接口設計方案。該接口設計可以廣泛應用于各種便攜式、嵌入式系統(tǒng)中，從而可靠便捷地實現(xiàn)USB OTG功能。
    本文作者創(chuàng)新點：提出了TUSB6020與TMS320DM6437的USB OTG設計方案，硬件設計有效利用了VLYNQ接口，軟件設計簡捷靈活，為USB OTG的接口設計提供了一種新的參考，有廣泛的應用價值。

參考文獻：
[1] 王中心，王春曉．USB On-The-Go技術原理及應用[J]．阜陽師范學院學報:自然科學版，2005，22(1):39-42．
[2] 肖燕娟，楊俊峰．基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)通信接口設計[J]．微計算機信息，2008，2¬
2:310-312．
[3] Texas Instrument．TUSB6020 USB2.0 High-Speed On-The-Go Dual-Role Controller：America，SCPS170E[P]．March 2008．
[4] Texas Instrument．TMS320DM643x DMP VLYNQ Port User's Guide：America SPRU938B[P]．September 2007．

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