摘? 要： USB OTG(On-The-Go)是USB 2.0規(guī)范的補(bǔ)充,它使外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)可以在無主機(jī)參與的情況下直接互連進(jìn)行通信。本文討論了USB OTG補(bǔ)充規(guī)范的新增特性,包括OTG事務(wù)請求協(xié)議SRP和主機(jī)流通協(xié)議HNP、連接器和電纜、兩用OTG設(shè)備和外設(shè)式OTG設(shè)備、驅(qū)動程序以及數(shù)據(jù)流模型。

　　關(guān)鍵詞： USB 2.0? OTG? 規(guī)范

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　　USB的廣泛應(yīng)用使其正在成為外設(shè)與PC機(jī)及膝上型電腦連接的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。USB外設(shè)主要是便攜式設(shè)備" title="便攜式設(shè)備">便攜式設(shè)備,隨著其數(shù)量的不斷增多,設(shè)備之間無主機(jī)參與的直接通信成為亟待解決的問題。我們開發(fā)了基于USB總線(接口芯片為Philips公司的PDIUSBD12)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),取得了滿意的效果。但在開發(fā)USB1.1設(shè)備時遇到的設(shè)備互連直接通信的要求,一直由于USB主機(jī)/設(shè)備結(jié)構(gòu)的制約沒有理想的解決方案。USB 2.0雖然在速度等方面有很大的改進(jìn),但同樣要依賴計算機(jī)主機(jī)進(jìn)行通信。2001年底,USB開發(fā)者論壇(USB Implementers Forum,USB IF)發(fā)布了專門用于USB 外設(shè)間“可移動互連”的USB2.0補(bǔ)充規(guī)范USB On-The-Go,其目標(biāo)是使外設(shè)以主機(jī)的身份和另外特定的一組外設(shè)直接通信。本文中歸納USB 2.0補(bǔ)充規(guī)范OTG的相關(guān)技術(shù),并主要討論其新增特性。

1 新的協(xié)議

　　OTG補(bǔ)充規(guī)范對USB2.0的最重要的擴(kuò)展是其更具節(jié)能性的電源管理和允許設(shè)備以主機(jī)和外設(shè)兩種形式工作。OTG有兩種設(shè)備類型:兩用OTG設(shè)備(Dual-role device)和外設(shè)式OTG設(shè)備(Perip- heral-only OTG device)。兩用OTG設(shè)備完全符合USB2.0規(guī)范,同時它還要提供有限的主機(jī)能力和一個MiniAB插座、支持主機(jī)流通協(xié)議(Host Negotiation Protocol,HNP),并和外設(shè)式OTG設(shè)備一樣支持事務(wù)請求協(xié)議(Session Request Protocol， SRP)。當(dāng)作為主機(jī)工作時,兩用OTG設(shè)備可在總線上提供8mA的電流,而以往標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)則需要提供100~500mA的電流。

　　兩個兩用OTG設(shè)備連接在一起時可交替以主機(jī)和從機(jī)的方式工作,這個特點兼容了現(xiàn)有USB規(guī)范主機(jī)/外設(shè)的結(jié)構(gòu)模型。OTG主機(jī)同樣負(fù)責(zé)初始化數(shù)據(jù)通信的任務(wù),比如:總線復(fù)位、獲取USB各種描述符" title="描述符">描述符和配置設(shè)備。這些配置完成后,兩個OTG設(shè)備便可以分別以主機(jī)和從機(jī)方式傳輸信息,兩個設(shè)備主從角色交換的過程由主機(jī)傳輸協(xié)議(HNP)定義。以下以兩用OTG設(shè)備為例討論SRP和HNP。

1.1 事務(wù)請求協(xié)議SRP

　　在以往的USB系統(tǒng)運(yùn)行過程中,主機(jī)提供5V的電源和不低于100mA的總線電流。當(dāng)OTG主機(jī)(指以主機(jī)方式工作的兩用OTG設(shè)備,又稱A-device)連接到有線電源時這種方法是適用的,但像手機(jī)這樣的自供電移動設(shè)備則不能承受如此大的電能浪費(fèi)。為了節(jié)約電源延長電池的使用壽命,當(dāng)總線上沒有活動時,OTG主機(jī)將掛起總線電源VBUS。SRP協(xié)議可使OTG從機(jī)(指外設(shè)式設(shè)備或者以外設(shè)方式工作的兩用OTG設(shè)備,又稱B-device,此處指后者)請求A-device重新使能VBUS,而后A-device使用HNP協(xié)議交換兩個設(shè)備的工作方式" title="工作方式">工作方式,這兩步完成后由新的OTG主機(jī)開始事務(wù)傳輸。B-device可在前一事務(wù)結(jié)束2ms后的任意時間開始SRP， SRP的時序波形見圖1。

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　　B-device將先后執(zhí)行數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制" title="脈沖調(diào)制">脈沖調(diào)制(data-line pul- sing)和VBUS脈沖調(diào)制(VBUS pulsing)。它通過使能數(shù)據(jù)線上拉電阻(全速和高速設(shè)備為D+,低速設(shè)備為D-)5～10ms實現(xiàn)前者,后者通過驅(qū)動VBUS實現(xiàn)。VBUS必須要有足夠長的時間對其電容充電,這個時間應(yīng)能保證不大于13μF的電容充電至2.1V(OTG設(shè)備的電容是6.5μF或更小),從而不會對標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的96μF或更高的電容充電至2.0V。該限制保證了從B-device引來的VBUS電流不會破壞標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的端口。

　　A-device檢測到數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制或者VBUS脈沖調(diào)制后,首先復(fù)位總線,然后發(fā)送Set_feature命令而先不進(jìn)行設(shè)備的枚舉,此時B-device尚處在默認(rèn)的從機(jī)狀態(tài)。如果Set_feature命令成功執(zhí)行,說明B-device為兩用OTG設(shè)備,A-device(使用HNP協(xié)議)掛起VBUS準(zhǔn)備讓B-device交換為主機(jī)方式接管總線。如果Set_feature命令執(zhí)行失敗,說明B-device為外設(shè)式OTG設(shè)備,于是A-device使能VBUS準(zhǔn)備開始一個傳輸事務(wù)(此時,A-device只是被喚醒,并未改變工作方式)。當(dāng)A-device認(rèn)為總線上沒有傳輸需要時,掛起VBUS以結(jié)束該事務(wù)。這種A-device自動檢測B-device是否支持HNP協(xié)議的特征稱為“No Silent Failure”。

1.2 主機(jī)流通協(xié)議HNP

　　當(dāng)兩用設(shè)備連接了一個Mini-A插頭或者M(jìn)ini-B插頭時,它相應(yīng)的便以O(shè)TG主機(jī)或者OTG外設(shè)的默認(rèn)方式工作。A-device為默認(rèn)主機(jī),所以由它提供VBUS電源,且在檢測到有設(shè)備接入時復(fù)位總線、枚舉并配置B-device。

　　A-device在完成對B-device的使用后,可以通過查詢B-device的OTG性能描述符來判斷它是否支持HNP協(xié)議(即是否為兩用OTG設(shè)備)。如支持HNP,B-device將返回有效的OTG性能描述符,A-device則產(chǎn)生一個Set_feature命令(即HNP_Enable)來通知B-device可以在總線掛起的時候以主機(jī)方式工作,隨后A-device掛起總線。HNP的時序波形見圖2。

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　　B-device通過上拉電阻(全速時)或者下拉電阻(高速時)拉低D+以示連接斷開。隨后,作為對B-device斷開的響應(yīng),A-device使能它的數(shù)據(jù)線并開始以從機(jī)方式工作。完成這些轉(zhuǎn)換后,B-device和A-device便各自以主機(jī)角色和外設(shè)角色使用總線。如果該B-device屬于兩用OTG設(shè)備且A-device不再使用它了,A-device便重發(fā)Set_feature命令并掛起總線。若B-device申請角色轉(zhuǎn)換時出錯,A-device則拉低VBUS以結(jié)束該事務(wù)。當(dāng)B-device正常結(jié)束傳輸事務(wù)時便掛起VBUS使能其上拉電阻,重新以從機(jī)方式運(yùn)行。A-device檢測到總線掛起后,發(fā)出一個連接斷開信號并重新以主機(jī)方式工作。

2 連接器和電纜

2.1 連接器

　　USB IF在OTG中定義了更小的連接器,可以同時用于主機(jī)式和外設(shè)式的設(shè)備、具有更低的電源需求、擴(kuò)展的電源保護(hù)模式和利于上層軟件開發(fā)的簡潔設(shè)計。

　　OTG和現(xiàn)有的USB2.0規(guī)范完全兼容,一個主要的機(jī)械上的改進(jìn)是它的新式連接器。USB 2.0定義了三種連接器對(插頭和插座):Standard-A、Standard-B和Mini-B。Mini-B連接器是專為較小的外設(shè)(如移動電話等)開發(fā)的。OTG規(guī)范增加了第四種插頭：Mini-A,兩種插座:Mini-A和Mini-AB。這些連接器比最初的USB連接器要小許多(如:Mini-A插頭截面積只有Standard-A插頭的38%),更適合于便攜式設(shè)備。

　　Mini-AB插座用于兩用設(shè)備。Mini-A新增的ID腳(以前的USB插頭不含此腳)在連接Mini-AB時接地短路,而Mini-B則使該腳斷開,這樣兩用設(shè)備便可識別連接設(shè)備的類型以決定設(shè)備的默認(rèn)角色。

　　Mini-A和Mini-B插頭是嚴(yán)格配對適用的,如:不能將Mini-A插頭和Mini-B插座配合使用。但是,Mini-AB插座適合于以上兩種插頭。在外形上,Mini-A更接近于橢圓形,而Mini-B更接近于正方形。另外,他們的插頭和插座內(nèi)部的塑料都有顏色:Mini-A為白色,Mini-B為黑色,Mini-AB為灰色。

2.2 電纜

　　USB 2.0規(guī)范定義了兩種電纜:Standard-A至Standard-B和Standard-A至Mini-B。OTG新增了兩種電纜:Mini-A至Standard-B和Mini-A至Mini-B。Mini-A-to-Mini-B電纜的延遲被減少到可以在“A端″使用適配器,如:用Standard-A插頭連接OTG兩用設(shè)備需要一個Standard-A插座至Mini-A插頭的適配器,而用Mini-A插頭連接Standard-A插座時需要一個Mini-A插座至Standard-A插頭的適配器。

3 USB On-The-Go設(shè)備類型

　　OTG有兩種設(shè)備:兩用OTG設(shè)備和外設(shè)式OTG設(shè)備。兩用OTG設(shè)備可以作為USB外設(shè)或者USB OTG主機(jī),并且可為總線提供8mA電流。而外設(shè)式OTG設(shè)備不具備主機(jī)性能,它必須在向兩用設(shè)備(主機(jī))的請求獲準(zhǔn)后才能通信。兩用OTG設(shè)備必須能以全速方式運(yùn)行,而高速運(yùn)行的方式是可選的。外設(shè)型OTG設(shè)備可以設(shè)計在高速、全速和低速中的任意一種方式下工作。

3.1 兩用OTG設(shè)備(dual-role device)

　　兩用OTG設(shè)備都有一個Mini-AB插槽,所以一個Mini-A至Mini-B電纜可以直接將兩個兩用OTG設(shè)備連接在一起,而此時用戶不會覺察到兩個設(shè)備的不同,也不知道它們的默認(rèn)主從配置。

　　A-device(主機(jī))必須在事務(wù)傳輸過程中提供總線電源,這是A-device和B-device的主要不同,同時也說明了兩個設(shè)備的連接的非對等關(guān)系。A-device負(fù)責(zé)為總線供電因此它控制通信發(fā)生的時機(jī),B-device只有通過SRP協(xié)議向“主機(jī)”請求傳輸。

設(shè)計一個兩用設(shè)備是比較困難的,因為它要具備:有限的主機(jī)能力、可作為一個全速的外設(shè)(可選的高速方式)、OTG目標(biāo)設(shè)備的列表、目標(biāo)設(shè)備的驅(qū)動程序、支持SRP、支持HNP、一個Mini-AB插座、VBUS上不小于8mA的電流輸出、與用戶通信的方式。

3.2 外設(shè)式OTG設(shè)備(Peripheral-only OTG device)

　　外設(shè)式OTG設(shè)備是普通的USB外設(shè)。它有一個OTG功能描述符說明其支持事務(wù)請求協(xié)議SRP而且它不是兩用OTG設(shè)備。此外,外設(shè)式OTG設(shè)備只能配置Mini-B型插座或者必須有一個帶Mini-A插頭的附屬電纜,而不能使用Mini-AB型插座。

　　SRP是B-device(此處指外設(shè)式設(shè)備)向A-device請求傳輸事務(wù)時必須使用的協(xié)議。它由前面提到的數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制和VBUS脈沖調(diào)制(B-device產(chǎn)生)兩種方法構(gòu)成。A-device必須能檢測這兩種方法之一的信號,并開始一個相應(yīng)的傳輸事務(wù)。除了固件(firmware)略有增加外,B-device同時可產(chǎn)生兩種信號的成本并沒有增加成本,而且還使實現(xiàn)A-device更加簡單(只需根據(jù)實際情況提供其中一種方式的檢測)。

　　一個OTG設(shè)備不必實現(xiàn)OTG的所有性能。例如,一個外設(shè)式OTG設(shè)備可能只需支持SRP和一個小于等于8mA的默認(rèn)電流消耗配置。其實,添加對SRP支持也較簡單:在VBUS上接一個驅(qū)動電阻并增加一些簡單的邏輯,從而產(chǎn)生VBUS脈沖調(diào)制信號。

　　另外,無論是兩用OTG設(shè)備還是外設(shè)式OTG設(shè)備,都可以和通用的計算機(jī)相連,只不過兩用OTG設(shè)備具有一定的主機(jī)能力(可以驅(qū)動特定的一組OTG設(shè)備工作)。

4 驅(qū)動程序

　　與PC主機(jī)不同,便攜式設(shè)備沒有便捷的方式和足夠的空間裝載新的驅(qū)動程序。因此,OTG規(guī)范要求每個兩用OTG設(shè)備有一個支持的外設(shè)式OTG目標(biāo)設(shè)備的列表,列表中包括設(shè)備的類型和制造商等信息。USB IF正計劃定義“OTG Type”規(guī)范。對于符合此規(guī)范的設(shè)備,OTG主機(jī)只需提供一個驅(qū)動程序即可,這將使OTG主機(jī)無需為每個設(shè)備提供單獨(dú)的驅(qū)動程序,從而支持盡量多的OTG外設(shè)。

　　與PC機(jī)不同,OTG兩用設(shè)備的驅(qū)動程序棧由USB主機(jī)棧和USB設(shè)備棧構(gòu)成以滿足兩種工作方式的需要,見圖3。OTG驅(qū)動程序通過連接器的不同或者是否有HNP交換設(shè)備的工作方式來決定使用USB主機(jī)棧還是USB設(shè)備棧。

　　當(dāng)OTG兩用設(shè)備以主機(jī)方式工作時,USB主機(jī)棧工作。其中的主機(jī)控制器驅(qū)動程序負(fù)責(zé)USB主機(jī)棧與硬件端點的數(shù)據(jù)交換,USB驅(qū)動程序枚舉并保存設(shè)備的信息,目標(biāo)外設(shè)主機(jī)類驅(qū)動程序支持目標(biāo)設(shè)備列表里的設(shè)備。主機(jī)類驅(qū)動程序由芯片制造商提供,同時,OTG提供通用的主機(jī)類驅(qū)動程序(可以修改以用于非通用設(shè)備)。

　　當(dāng)OTG兩用設(shè)備以從機(jī)方式工作時,USB設(shè)備棧工作。其中的設(shè)備控制器驅(qū)動程序負(fù)責(zé)USB設(shè)備棧與硬件端點的數(shù)據(jù)交換,USB協(xié)議層負(fù)責(zé)處理USB協(xié)議規(guī)范,設(shè)備類驅(qū)動程序的功能取決于該兩用設(shè)備的功能(如數(shù)碼照相機(jī)、存儲設(shè)備、打印機(jī)等)。

　　OTG驅(qū)動程序負(fù)責(zé)處理兩用OTG設(shè)備的工作方式轉(zhuǎn)換,同時,它還可以返回其結(jié)果(如設(shè)備是否支持HNP)并處理總線錯誤。應(yīng)用層程序通過OTG驅(qū)動程序開始或者結(jié)束一個傳輸事務(wù),通過USB主機(jī)?；蛟O(shè)備棧與硬件層交換數(shù)據(jù)。OTG兩用設(shè)備的驅(qū)動程序棧配置見圖3。

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5 數(shù)據(jù)流模型

　　OTG主機(jī)和設(shè)備被劃分為功能層、USB設(shè)備層和USB接口層三個不同的層次,見圖4。

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　　USB接口層為OTG主機(jī)和OTG設(shè)備提供物理連接,USB系統(tǒng)軟件使用主機(jī)控制器來管理主機(jī)與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。USB系統(tǒng)軟件相對于主機(jī)控制器而言,處理的是以客戶角度觀察的數(shù)據(jù)傳輸及客戶與設(shè)備的交互。USB設(shè)備層為USB主機(jī)系統(tǒng)軟件提供一個可用的邏輯設(shè)備。主機(jī)通過與之功能匹配的客戶軟件實現(xiàn)其各種功能。

　　OTG設(shè)備與以往的USB設(shè)備一樣由兩種通道:數(shù)據(jù)流通道和消息通道。數(shù)據(jù)流通道沒有定義好的結(jié)構(gòu),而消息通道則有固定的結(jié)構(gòu)。但是,每個通道都有一定的帶寬、傳輸類型、傳輸方向和緩沖區(qū)大小。自供電設(shè)備配置一個默認(rèn)的控制通道,由它提供該設(shè)備的配置和狀態(tài)等信息。

　　USB OTG規(guī)范是USB2.0規(guī)范的補(bǔ)充而不是替代品。PC主機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)并沒有被取代,因為新的OTG僅適用于需要具有主機(jī)功能和更小體積的便攜式設(shè)備。OTG在這些外設(shè)間引入了點對點的(point-to-point)通信方式,這使得便攜式儀器的發(fā)展有了更加廣闊的空間。USB OTG已受到Cypress等芯片供應(yīng)商、軟件開發(fā)商和設(shè)備制造商的廣泛支持,OTG不久將會成為新一代的“移動計算”解決方案。

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