USB OTG連結(jié)多種行動(dòng)裝置介紹

USB已成為連結(jié)各種外圍裝置與個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及標(biāo)準(zhǔn)。新推出的USB 規(guī)格附錄 (USB On-The-Go (OTG) Supplement) 讓USB能進(jìn)一步支援「端對(duì)端」(peer-to-peer) 的連結(jié)模式，以及讓裝置可以扮演主控端或外圍端的角色。此外這套新標(biāo)準(zhǔn)亦提供更佳的電源效率管理。
本文將簡(jiǎn)述USB規(guī)格附錄的各種功能，敘述此一技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，并以Cypress EZ-OTG控制器為例，進(jìn)一步來說明USB OTG實(shí)際能。

USB技術(shù)發(fā)展背景介紹
USB規(guī)格于1996年問市，提供一套簡(jiǎn)易、符合經(jīng)濟(jì)效益、操作簡(jiǎn)便的連結(jié)機(jī)制，讓各種外圍組件能與個(gè)人計(jì)算機(jī)相互連結(jié)。從打印機(jī)、掃瞄器、到燒錄器，USB已成為連結(jié)大多數(shù)PC外圍裝置的主要接口。
在2000年， USB2.0在全速12Mbps與低速1.5Mbp兩個(gè)模式之外，更加入了480Mbps的高速模式，USB的傳輸速度一舉提高40倍，使USB更適合支持各種高效能外圍設(shè)備，例如像大容量?jī)?chǔ)存裝置以及數(shù)字?jǐn)z影機(jī)等。此項(xiàng)規(guī)格已成功地邁入全新的階段，為行動(dòng)裝置市場(chǎng)提供更好的服務(wù)。
USB規(guī)格附錄在2001年12月正式登場(chǎng)。這套增補(bǔ)規(guī)格定義了機(jī)構(gòu)、電子、以及通訊協(xié)議等原理，讓USB可以簡(jiǎn)易地運(yùn)用在行動(dòng)科技中。

市場(chǎng)對(duì)OTG增補(bǔ)規(guī)格的需求
為了解OTG的各種優(yōu)點(diǎn)，首先要了解USB背后的發(fā)展原理以及可攜式裝置的特殊需求，才能體會(huì)USB在因應(yīng)這些需求時(shí)所欠缺的功能。
USB 最初是設(shè)計(jì)成一套主從式通訊協(xié)議(master-slave protocol)，可以運(yùn)用在一組主控端以及其它可能的多組外圍端。因此，系統(tǒng)的操控機(jī)制主要落在主控端設(shè)備上。PC有大容量的儲(chǔ)存空間，可儲(chǔ)存趨動(dòng)程序與應(yīng)用軟件，故能在有需要時(shí)立即安裝新的軟件。USB使用方向性的接線，在主控端與外圍端的插頭上使用不同型狀的設(shè)計(jì)，避免使用者將接線插錯(cuò)方向。在電源方面也是假設(shè)主控端設(shè)備能為系統(tǒng)提供無限時(shí)的電源而設(shè)計(jì)的。
隨著微處理器的效能、內(nèi)存儲(chǔ)存密度、以及電池技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，促使各種性能優(yōu)越的可攜式裝置急速的成長，例如像行動(dòng)電話、MP3隨身聽、數(shù)字相機(jī)、以及PDA等。此類裝置功能的擴(kuò)充促使了與PC、外圍裝置、以及其它可攜式裝置分享數(shù)據(jù)的需要。
這些新裝置的許多應(yīng)用層面以及通訊需求，已超越USB當(dāng)初制定時(shí)的考量。各種可攜式裝置之間或與外圍設(shè)備之間的串連，通常以一對(duì)一的形式進(jìn)行，與一般PC與周邊裝置的一對(duì)多連結(jié)模式不同。串連功能相近的裝置，其模式較接近端對(duì)端 (peer-to-peer)，而非PC與外圍裝置之間的主從關(guān)系。的確，可攜式裝置有時(shí)較像外圍裝置，有時(shí)則須扮演主控端的角色。
由此可見，由于USB最初制定時(shí)的各種假設(shè)，加上各種可攜式裝置不同的需求，讓典型的USB技術(shù)在支持可攜式裝置是不理想的。但由于USB本身具備熟悉度、使用簡(jiǎn)易、符合成本、以及大量裝置安裝USB等優(yōu)勢(shì)，因此OTG規(guī)格附錄的宗旨在于縮小規(guī)格差異，將USB的優(yōu)勢(shì)利用在迅速成長的可攜式裝置市場(chǎng)中。

OTG 機(jī)構(gòu)規(guī)格
在最底層的規(guī)格方面，OTG規(guī)格附錄為克服規(guī)格效能上的差距，在尺吋、連結(jié)效率、以及耐用度方面增加許多機(jī)構(gòu)性功能。
在1996年規(guī)格中所制定的標(biāo)準(zhǔn)USB接頭尺吋遠(yuǎn)小于平行或串行端口的接頭，但使用于迷你型手機(jī)或MP3隨身聽時(shí)，尺吋還是太大。USB 2.0規(guī)格上市及OTG規(guī)格附錄的Mini-A 與Mini-B型的插頭與插座，便是針對(duì)此需求推出的。新的插頭與插座尺吋小于原先的全尺吋型插頭與插座，更適合在各種可攜式裝置上的使用。
在可攜式裝置應(yīng)用USB的最大障礙就是方向性接線的設(shè)計(jì)。USB規(guī)格規(guī)定所有鄰近主控端(「上行」)的連結(jié)埠都須使用A接頭連接，而鄰近外圍端(「下行」埠)的連接埠則使用B接頭。這種模式在PC與外圍裝置上可順利運(yùn)作，因?yàn)槭褂谜卟豢赡馨丫€接錯(cuò)方向。但若是當(dāng)可攜式裝置同時(shí)扮演主控端(一部PDA連至打印機(jī))與外圍端(同一部PDA連至PC進(jìn)行數(shù)據(jù)更新)，則這種模式就較不適用。
OTG規(guī)格附錄以定義新型的連結(jié)器來解決這方面的問題，這個(gè)連結(jié)器即為Mini-AB型插座。新型插座應(yīng)用在雙重角色的裝置(能扮演主控端或外圍端)，能接上Mini-A 或Mini-B插頭。從此以后，雙重角色的裝置不再需要兩種不同的插頭即可以任意扮演主控端或外圍端。
Mini-AB的秘密即是新增ID pin設(shè)計(jì)的Mini接頭 – 在以往標(biāo)準(zhǔn)USB接頭中所看不到的pin。在Mini-A插頭上的pin與接地線之間呈短路狀態(tài)(shorted to ground)，而在Mini-B插頭上則呈未連結(jié)狀態(tài)。雙重角色的裝置利用這個(gè)ID pin辨識(shí)連結(jié)的插頭的屬性，并藉此決定要扮演的角色。這種設(shè)計(jì)讓單接頭的裝置能使用USB方向性纜線扮演主控端或外圍端的角色。
最后，OTG規(guī)格附錄包括一項(xiàng)微小但對(duì)最初USB規(guī)格重要的耐用度的提升。USB規(guī)格要求插頭與插座必須能承受1500次的插拔。這個(gè)規(guī)范對(duì)許多桌上型系統(tǒng)(例如像桌上型PC的鍵盤在整個(gè)生命周期中可能僅會(huì)插拔三到四次)而言十分足夠，但對(duì)于一些可攜式系統(tǒng)而言可能稍嫌不足。例如，在外奔波的職員每天須將PDA與行動(dòng)電話連接數(shù)十次。OTG規(guī)格將插頭與插座的插拔耐用度門坎提高至5000次，足以讓機(jī)動(dòng)商務(wù)人士在至少3年半中放心地插拔各種可攜式裝置的插頭。

主控端與裝置角色的切換
OTG增補(bǔ)規(guī)格新定義的Mini-AB插座，讓配備一組連接器的裝置能扮演主控端或外圍端的角色。具備這種能力的裝置稱為「雙重角色裝置」(dual-role device, DRD )。例如，使用者可將雙重角色相機(jī)連至PC。連接在線的A插頭可連至PC，連結(jié)在線的Mini-B插頭則連至數(shù)字相機(jī)。相機(jī)可利用插頭上的ID pin偵測(cè)發(fā)現(xiàn)應(yīng)扮演外圍端的角色。在這種組態(tài)下，使用者可將相片從數(shù)字相機(jī)復(fù)制到PC。
運(yùn)用Mini-AB插頭，使用者可利用一端為Mini-A插頭而另一端為Standard-B插頭的傳輸線，將相機(jī)直接連至打印機(jī)。B插頭可插至打印機(jī)的B插座，而Mini-A插頭在插至相機(jī)的Mini-AB插座時(shí)，就會(huì)通知相機(jī)扮演主控端的角色。在這種組態(tài)下，使用者可直接將影像從打印機(jī)上印出，而不須先將影像上傳至PC。
在上述的狀況中，最初USB規(guī)格規(guī)范的方向性接線配合新定義的Mini-AB接頭，讓相機(jī)能在兩種狀態(tài)下都能順利運(yùn)作。
但是，若兩組雙重角色型裝置進(jìn)行連結(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么狀況呢?
OTG規(guī)格附錄將這種情況稱為主控端協(xié)商通訊協(xié)議(host negotiation protocol, HNP) 的傳輸機(jī)制。如上述，USB原先是規(guī)畫成一種主從式通訊協(xié)議，總線上所有傳輸作業(yè)都是由主控端啟動(dòng)。當(dāng)雙重角色裝置連上Mini-A插頭時(shí)，預(yù)設(shè)狀態(tài)就會(huì)切換成主控端的角色。若是連上Mini-B插頭時(shí)，預(yù)設(shè)狀態(tài)則會(huì)切換成外圍端角色。但使用者不必拔下再插上接頭，便能讓雙重角色裝置從主控端切換為外圍端模式。透過HNP，原本預(yù)設(shè)狀態(tài)為外圍端的雙重角色裝置，可發(fā)送要求訊號(hào)并切換為主控端。這種功能讓現(xiàn)有的USB主從架構(gòu)能提供 「peer-to-peer」的作業(yè)模式。
圖1 介紹主控端協(xié)商通訊協(xié)議。在執(zhí)行HNP時(shí)，A裝置(連至傳輸在線的Mini-A插頭) 必須先讓B裝置運(yùn)用OTG增補(bǔ)規(guī)格規(guī)范的Set Feature功能取得總線的控制權(quán)。啟動(dòng)后，B裝置將從A裝置手上接管總線的控制權(quán)。當(dāng)A裝置想讓B裝置扮演主控端的角色時(shí)，它會(huì)停止所有的總線的傳輸作業(yè)(點(diǎn) 1)。之后B裝置能降低D+線發(fā)送中止聯(lián)機(jī)訊號(hào)(點(diǎn) 2)。此時(shí)A裝置會(huì)啟動(dòng)其數(shù)據(jù)傳輸線提升電阻(點(diǎn) 3)，完成整個(gè)切換作業(yè)。此時(shí)B裝置就能扮演主控端的角色，而A裝置則切換為外圍端。B裝置會(huì)重置A裝置(點(diǎn) 4)，并開始進(jìn)行通訊(點(diǎn) 5)。

B裝置可以中止總線(點(diǎn) 6)，將總線的控制權(quán)交還給A裝置。A裝置在偵測(cè)到這個(gè)狀態(tài)后，就會(huì)關(guān)閉D+ 線提升電阻 (點(diǎn) 7)。 B裝置之后會(huì)重新啟動(dòng)其D+ 提升(pull up)電組(點(diǎn) 8)，讓裝置回到原先的角色(點(diǎn) 9與10)。

改進(jìn)電源管理效率
可攜式USB裝置的最后一項(xiàng)問題就是電源管理。在 「典型」的USB系統(tǒng)中，主控端負(fù)責(zé)提供5伏特的額定電源，而當(dāng)主控端開始運(yùn)作時(shí)，USB的VBUS 線路上的電流則須維持在至少100mA。這種模式在主控端插上電源插座時(shí)不會(huì)遭遇任何問題，但卻會(huì)快速耗盡像是行動(dòng)電話這類小型裝置的電力。
為節(jié)省電力并延長電池的續(xù)航力，OTG規(guī)格讓A裝置能在總線沒有運(yùn)作時(shí)關(guān)閉VBUS電壓。若B裝置欲進(jìn)行通訊，它會(huì)使用傳輸要求通訊協(xié)議(session request protocol, SRP)向A裝置發(fā)送要求，重新開啟VBUS 并啟動(dòng)一個(gè)傳輸階段。
B裝置可以在前一個(gè)傳輸階段終止2 毫秒之后，啟動(dòng)SRP作業(yè)。在圖2中，A裝置在點(diǎn) 1中止總線，并藉由關(guān)閉點(diǎn) 2上的VBUS來終止傳輸。B裝置會(huì)透過「數(shù)據(jù)傳輸線脈沖」(data-line pulsing)與「VBUS 脈沖」(VBUS pulsing)來啟動(dòng)SRP協(xié)定。B裝置透過啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸線提升電阻(以D+為全速裝置，D-為低速裝置)至5至10毫秒(點(diǎn)3至4) 之間運(yùn)作，來啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸線的脈沖訊號(hào)。VBUS 脈沖則是透過趨動(dòng)微弱VBUS表示(點(diǎn) 5至6)。微弱的趨動(dòng)訊號(hào)仍足以將OTG線路的電壓提高到2.1伏特以上，但不足以將更高負(fù)載的 「典型」傳輸線路的電壓提高至2.0伏特。
A裝置在偵測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸線的脈沖或VBUS 脈沖訊號(hào)時(shí)，就會(huì)開啟VBUS (點(diǎn) 7)并啟動(dòng)一個(gè)傳輸階段，再度開始進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸(點(diǎn) 9與10)。當(dāng)A裝置判斷總線上沒有其它數(shù)據(jù)要傳送時(shí)，就會(huì)關(guān)閉VBUS來中止傳輸階段。

USB OTG發(fā)展現(xiàn)況
On-The-Go規(guī)格附錄是由一個(gè)委員會(huì)負(fù)責(zé)制定，此委員會(huì)的成員包含連接器制造商、IP廠商、芯片組件供貨商、軟件研發(fā)業(yè)者、以及設(shè)備制造商的代表。規(guī)格附錄在2001年12月18日以USB規(guī)格附加條文的型式發(fā)表并獲得采納。
從成立開始，On-The-Go委員會(huì)即將重心放在教育、兼容性計(jì)劃、以及建置等領(lǐng)域。委員會(huì)持續(xù)在美國、亞洲、以及歐洲等地贊助訓(xùn)練課程，也計(jì)劃協(xié)助研發(fā)業(yè)者與使用者了解OTG功能所帶來的利益。此外，委員會(huì)也正推廣USB新商標(biāo)，提供所有通過OTG認(rèn)證的裝置使用。
此一委員會(huì)另一個(gè)主要工作領(lǐng)域就是OTG的兼容性規(guī)范。這份文件定義各種測(cè)試設(shè)備與程序，用來確保支持OTG的裝置在兼容的情況下運(yùn)作。測(cè)試設(shè)備現(xiàn)已建構(gòu)完成，軟件亦開發(fā)成功，且測(cè)試規(guī)格也已即將發(fā)表。這些測(cè)試將協(xié)助研發(fā)業(yè)者開發(fā)各種最佳裝置，提升使用者經(jīng)驗(yàn)。
最后OTG的委員與業(yè)界正致力開發(fā)硬件、軟件、以及架構(gòu)，讓消費(fèi)者能享受OTG規(guī)格附件的各種優(yōu)點(diǎn)。最新公告顯示OTG正跨入實(shí)際產(chǎn)品的門坎，各種初期研發(fā)的產(chǎn)品即將上市。

以EZ-OTG為例
在目前符合USB OTG標(biāo)準(zhǔn)的諸多產(chǎn)品當(dāng)中，Cypress所推出的EZ-OTG控制器是其中最先進(jìn)的組件之一；這是一套單芯片整合型控制器，搭載兩組獨(dú)立的USB連結(jié)埠，每個(gè)連結(jié)埠都支持主控端及外圍端，其中一組USB端口支持OTG規(guī)格附錄所定義的各項(xiàng)新功能。此外，EZ-OTG內(nèi)含一組48 MHz的16位微處理器，負(fù)責(zé)控制USB連結(jié)端口以及執(zhí)行其它功能，亦提供各種系統(tǒng)接口。
圖3 為Cypress EZ-OTG控制器的功能區(qū)塊圖，顯示其主要功能。接下來我們將詳細(xì)介紹這些主要的功能。
EZ-USB 的特色
EZ-USB控制器提供兩組獨(dú)立的USB連結(jié)埠，每組連結(jié)埠能支持主控端或外圍端的模式。其中一組USB支持OTG增補(bǔ)規(guī)格所有的新功能。每個(gè)連結(jié)端口皆符合USB 2.0的規(guī)格，并支持全速(12 Mbps)或低速(1.5 Mbps)的模式。
在外圍模式下，每個(gè)USB連結(jié)點(diǎn)能支持八組端點(diǎn) (endpoint numbers)。Endpoint 0主要傳送控制數(shù)據(jù)流型態(tài)來提供所有必要的支持。編號(hào)1到7的其它所有端點(diǎn)則可設(shè)定成全速運(yùn)作模式下的Bulk、Isochronous，或是低速模式下的Interrupt狀態(tài)。
兩組USB連結(jié)埠能獨(dú)立運(yùn)作或是扮演主控端或外圍端的模式，讓EZ-OTG組件能應(yīng)用在純外圍、純主控端、或是隨時(shí)機(jī)動(dòng)切換(OTG雙重角色裝置)的系統(tǒng)。
其中一組連結(jié)端口含有芯片型特殊線路 (on-chip circuitry)，支持OTG規(guī)格附錄所制定的各種新功能。線路內(nèi)含所有趨動(dòng)程序、接收器、以及電壓比對(duì)器，能以A端或B端的角色執(zhí)行主控端協(xié)商通訊協(xié)議(HNP)以及傳輸要求通訊協(xié)議(SRP)。

處理器與編程功能
兩組獨(dú)立的USB連結(jié)端口從內(nèi)建的微處理器進(jìn)行控制。這套處理器為一組48 MHz的16位RISC處理器。EZ-OTG包括一組內(nèi)建BIOS ROM，提供相關(guān)程序代碼將EZ-OTG切換至可通訊的狀態(tài)，并能存取USB連結(jié)端口與其它接口。

控制器內(nèi)含16 kByte的內(nèi)建RAM內(nèi)存，能儲(chǔ)存變量及執(zhí)行程序，為客戶提供所要的各種功能與特性。經(jīng)由各種外部資源程序代碼可以透過芯片內(nèi)建的接口加載至RAM空間中。

處理器亦內(nèi)含64組可編程或軟件中斷、64組硬件中斷器、以及3組可編程序定時(shí)器。

界面

EZ-OTG 控制器除了兩組USB連結(jié)埠外，亦提供各種接口選擇。此一芯片內(nèi)含25組可編程的通用型I/O訊號(hào)，能用來支持處理器執(zhí)行的程序代碼，或是配合硬件組件支持其它接口；這些接口包括：

? UART --? EZ-OTG具備一套內(nèi)建的UART，支持900至115.2 kbps的序列通訊速度。

? EEPROM -- EZ-OTG 能與一套雙線式EEPROM進(jìn)行通訊。

? SPI – 亦提供序列外圍接口 (Serial Peripheral Interface)。這套接口經(jīng)設(shè)定后可支持主控端或從屬端模式。

? HSS -- EZ-OTG 亦支持高速序列接口 (High-Speed Interface) 標(biāo)準(zhǔn)。這套接口提供9600 kbps至2 Mbps之間的通訊速度

? HPI – 主控端連接端口接口 (Host Port Interface) 是一套16位的平行式接口，讓外部處理器能完全控制EZ-OTG。這也是Cypress的EZ-OTG搭配系統(tǒng)中的主處理器的典型模式。

其它規(guī)格
EZ-OTG 內(nèi)含建構(gòu)一套USB裝置所需要的所有組件。它包含一組3.3伏特的電源供應(yīng)器、12 MHz的輸入時(shí)脈，亦可選擇連結(jié)至12 MHz振蕩晶體。在一般運(yùn)作模式下，耗電率約為50 mA。

結(jié)論
USB OTG規(guī)格附錄提供各種新功能，將USB接口的符合成本、易用性、以及普及度的功能與利益帶入行動(dòng)平臺(tái)領(lǐng)域。它的各種新功能讓裝置能在主控端與外圍端間隨時(shí)切換，并提供更高的省電性以及耐用度。
各種OTG裝置的建構(gòu)組件現(xiàn)正陸續(xù)問市。其中包括Cypress推出的EZ-OTG控制器。這款多功能合一的控制器內(nèi)含一組16位處理器、兩組USB連結(jié)埠、以及各種連接接口選項(xiàng)。