高速USB OTG-便携设备互连解决方案

电子产品在挑战尺寸、容量、处理速度与便利性的同时，也考验着研发人员的设计能力。过去USB接口的单向传输方式已很难适应现在便携式电子产品所需要的强大功能，市场需要的是让便携设备直接互连的双向连接方式。USB OTG的出现解决了这一问题。

　　便携设备如何相互沟通

　　随着便携设备的功能和数据容量的提升，使用者也开始希望其能与其他便携式与非便携设备共享信息，但是掌上型设备的数据输入及显示较为不易。因为体积小，便携设备通常没有实用的接口，只有一个小屏幕和有限的按键。

　　便携设备存在的另一个问题是“需要传输的数据量”。以一台数码相机为例，其存储容量可高达数百兆。此外，数据传输的方式也有很多，手机用户可能会想将手机连接到PC，下载原先储存的信息;有时需要和其他手机联机，互传电话号码;或者需要和数码相机联机，上传所拍摄的照片;当然有时还必须连接到PDA并使用其无线网络功能。

　　无奈手机等便携设备体积太小，没有空间为各种连机类型提供专属的接头，而且便携设备的市场对成本相当敏感，想要提供这么多的接头，会导致成本过高。由此看来，我们需要一种便宜、普及、使用容易、传输速率高的联机方式，使各种不同的电子设备能够彼此通信并传输数据。

　　图1 标准的USB连接架构

　　标准的USB连机需要一个主端(host)，这个主端通常是PC。如果想把储存在某个外围设备的数据传输到另一个外围设备，唯一的方法是通过主端来中介传输，如图1所示。例如，想要将数码相机的照片打印出来，必须先将照片上传到主端，再从主端传送到打印机。为什么不在便携设备里加入主端功能呢?

　　USB是一种主从架构的通信协议，原先是给一个主端搭配多个外围设备的应用方式设计的，因此USB连机的操控管理，多半是仰赖主端。如果要将整套USB规格的主端控管逻辑全部建构在一个便携设备中，对于着重功能简便的便携设备而言，会造成很大的负担。而且USB传输线具有方向性，插入主端的接头和插入外围设备的接头并不相同。

　　以便携设备而言，有时候必须担任主端的角色，例如，数码相机传送照片给打印机;而有时候则必须担任外围设备的角色，例如，数码相机将照片上传至PC，如图2所示。虽然USB的专用接头体积不大，但如果要建构于小巧的便携设备之中，可能还是过于庞大。USB架构认定主端具备充足的电源，可为联机的外围设备提供电力，有些设备甚至全部的电力都是来自USB总线的。这样的供电架构，对于一些电力有限的小型便携设备而言，会造成难以承受的负担。USB OTG补充规格中最重要的改变就是扩充了原先的USB协议，提供更严谨的电源管理功能，并允许电子设备担任主端角色或外围角色。

　　图2 USB OTG的连接架构

　　双重角色设备

　　“双重角色设备(Dual-Role Device)”既可担任主端角色、亦可担任外围的电子设备角色。除了要符合USB 2.0标准的所有要求之外，“双重角色设备”还必须提供有限的主端功能，并支持“事务请求协议(SRP)”以及“主端协商协议(HNP)”，而且应具备单一Mini-AB插槽。此外，这种设备必须能传送信息给使用者。当“双重角色设备”处于主端模式运作时，VBUS只需要供应8mA的电流，这个规格有别于标准USB主端的100mA或500mA要求。

　　主端协商协议

　　当“双重角色设备”连接了一个Mini-A或Mini-B插头时，它相应的便以OTG主机或外设的默认方式工作。A设备为默认主端，所以由它提供VBUS电源，且在检测到有设备接入时复位总线、列举并配置B设备。

　　A设备在完成对B设备的使用后，可以通过查询B设备的OTG性能描述符来判断是否支持HNP(即是否为“双重角色设备”)。如支持HNP，B设备将返回有效的OTG性能描述符，A设备则产生一个Set_feature命令(即HNP_Enable)来通知B设备可以在总线挂起的时候以主端方式工作，随后A设备挂起总线。

　　B设备通过上拉电阻(全速时)或者下拉电阻(高速时)拉低D+(数据线上拉电阻)以示连接断开。随后，作为对B设备断开的响应，A设备使能它的数据线并开始以从端方式工作。完成这些转换后，B设备和A设备便各自以主机角色和外设角色使用总线。如果该B设备属于“双重角色设备”且A设备不再使用它了，A设备便重发Set_feature命令并挂起总线。若B设备申请角色转换时出错，A设备则拉低VBUS以结束该事务。当B设备正常结束传输事务时便挂起VBUS使能其上拉电阻，重新以从端方式运行。A设备检测到总线挂起后，发出一个连接断开信号并重新以主机方式工作。

　　事务请求协议

　　在以往的USB系统运行过程中,主机提供5V的电源和不低于100mA的总线电流。当OTG主机(指以主机方式工作的两用OTG设备,又称A设备)连接到有线电源时这种方法是适用的，但像手机这样的自供电移动设备则不能承受如此大的电能浪费。为了节约电源延长电池的使用寿命,当总线上没有活动时，OTG主机将挂起总线电源VBUS。SRP可使OTG从端(指外设式设备或者以外设方式工作的“双重角色设备”，又称B设备)请求设备重新使能VBUS，而后A设备使用HNP交换两个设备的工作方式，这两步完成后由新的OTG主机开始事务传输。B设备可在前一事务结束2ms后的任意时间开始SRP。

　　B设备将先后执行数据线脉冲调制和VBUS脉冲调制，分别通过使能数据线上拉电阻(全速和高速设备为D+,低速设备为D-)5～10ms和驱动VBUS实现。VBUS必须要有足够长的时间对其电容充电,这个时间应能保证不大于13μF的电容充电至2.1V(OTG设备的电容是6.5μF或更小),从而不会对标准主机的96μF或更大的电容充电至2.0V。该限制保证了从B设备引来的VBUS电流不会破坏标准主机的端口。

　　A设备检测到数据线脉冲调制或者VBUS脉冲调制后，首先复位总线,然后发送Set_feature命令而先不进行设备的枚举,此时B设备尚处在默认的从端状态。如果Set_feature命令成功执行,说明B设备为两用OTG设备,A设备(使用HNP协议)挂起VBUS准备让B设备交换为主机方式接管总线。如果Set_feature命令执行失败，说明B设备为外设式OTG设备，于是A设备使能VBUS准备开始一个传输事务(此时，A设备只是被唤醒，并未改变工作方式)。当A设备认为总线上没有传输需要时，挂起VBUS以结束该事务。这种A设备自动检测B设备是否支持HNP的特征称为“No Silent Failure”。

　　USB得以成功的其中一项秘诀在于完善的认证测试程序。这道程序能检测设备是否符合规范且能否与其他USB设备共同运作，唯有通过认证测试的设备才能贴上USB的认可标签。目前，认证测试有两种途径，可通过USB Compliance Workshop(Plugfests)或个别的测试实验室进行测试。以上两种方式都能将通过检测的设备列入符合规范USB设备的整合厂商名单中。

　　 USB OTG 评估板测试

　　1 USB EHCI 主端控制器测试

　　每个设备应该能响应USB规范所定义的控制请求。主端应该能利用主端控制器经USB缆线送出控制需求到USB设备。

　　图3 EHCI 主端控制器测试架构

　　测试方法如下：USB测试Class驱动呼叫由USB IP核提供更高层的API，经USB子系统送出需求到USB设备。接着, 主端经控制端点(Endpoint)接受控制IN/OUT，然后解析/获得回应数据/状况用以核对其正确性。此外, 每个USB设备应该包含几个必需的描述符并依靠所接受的Get_Descriptor需求的内容来回应这些描述符。图3中PC安装Windows 2000或是Windows XP，利用ARM ADS1.2的AxD调试器，FA5 CPU的ICE一端连接PC的打印机口或是USB口，另一端连接开发板，开发板的另一端则是各种USB设备，如USB集线器、摄像头、鼠标、键盘和U盘。

　　图4 互测SNP和HNP的连接架构

　　2 OTG 测试

　　利用两台USB OTG开发板互测SNP和HNP的连接架构如图4所示。

　　图5 大量存储的应用测试

　　应用测试

　　如图5所示，设计一个SD卡主端应用来做演示, SD卡的大量存储用以测试FOTG200功能。FOTG200是智原的USB 2.0 OTG控制器, 能作为一个双重角色。作为主设备，它包含一个USB主端制器，能支援所有速度的事务。无须软件干涉的情形下，主端制器能处理一个基于事务的数据结构以减去主控CPU的负担，自动地在USB总线上转送和接收数据。作为从设备，每个端点，除了端点0，都承担可编程的HS/FS传输类型提供弹性以适应各式各样的应用。

　　在这个应用上, USB子系统由USB IP核、EHCI HCD控制器、USB大量存储Class驱动、文件系统和SD卡设备驱动所组成。因此,主端设备能够读/写文档到SD卡(外部设备)。顺便也能验证大量存储Class驱动和Bulk IN/OUT传输的功能。