USB On-The-Go 工作原理分析和应用研究

1994年，Intel，Compaq等七家软硬件全球知名企业为了突破当时PC使用串口和并口传输速度的限制，成立了通用串行总线开发者论坛（USB Implementers Forum, USB IF），并在1994年11月提出了USB 0.7版，到了1998年开始出现了支持USB 1.1的设备，他的高速性（USB1.1支持1.5 Mb/s和12 Mb/s两种速度^［1］）和易用性迅速使之成为P C外设的宠儿。为了对抗1394速度的优势（1394可以达到400 Mb/s），1999年提出了US B 2.0规范的思想，2000年4月USB IF推出USB 2.0。USB 2.0向下兼容1.1，提供3种速度 ，最高可以达到480 Mb/s^［2］。
USB 1.1和2.0都是必须依赖于PC的，为了在一定程度摆脱对PC的完全依赖，有一定程度的主机功能，2001年12月推出了OTG 1.0，经过6次修改，于2003年6月推出了USB OTG 1.0 a，正式成为一个达到市场实用的规范^［3］。
本文中分析讨论了USB 2.0补充规范OTG的工作原理，并且针对目前数码相机伴侣存在的问题，作者提出了自己的解决方案。1USB OTG的工作原理
OTG补充规范对USB 2.0的最重要的扩展是其更具节能性的电源管理和允许设备以主机和外设两种形式工作。OTG有两种设备类型:两用OTG设备(Dualrole device)和外设式OTG设备(Peripheralonly OTG device) 。两用OTG设备完全符合USB 2.0规范,同时,他还要提供有限的主机能力和一个MiniAB插座、支持主机流通协议(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外设式OTG设备一样支持事务请求协议(Session Request Protocol, SRP)。当作为主机工作时,两用OTG设备可在总线上提供8 mA的电流,而以往标准主机则需要 提供100～500 mA的电流。
2个两用OTG设备连接在一起时可交替以主机和从机的方式工作,这个特点兼容了现有USB 规范主机/外设的结构模型。OTG主机负责初始化数据通信的任务,比如:总线复位、获取USB 各种描述符和配置设备。这些配置完成后,2个OTG设备便可以分别以主机和从机方式传输信息,2个设备主从角色交换的过程由主机传输协议(HNP)定义。
下面从5个方面说明OTG的工作原理。
1.1主机（Adevice）和从机（Bdevice）的初始功能
设备的初始功能是通过定义连接器来实现的。OTG定义了一个叫做MiniAB的袖珍插孔，他能直接接入MiniA或者MiniB插口，MiniAB有一个ID引脚 上拉至电源端，MiniA插头有一个与地连接好的ID（R<10 Ω），Mini B插头有一个与地连接的开路ID引脚(R>100 kΩ)。当2个OTG设备连接到一起的时候 ，MiniA插头边的ID引脚会注入一个“0”状态，MiniB插头边的ID引脚为 “1”，ID为0的OTG设备默认为主机（Adevice），ID为1的OTG设备默认为从机（B device）。图1对上述内容进行了图解^［4］。 1.2对话请求协议SRP(Session Request Protocol)
这个协议允许Adevice(可以是电池供电)在总线未使用时通过切断Vbus来节省电源消耗，也为Bdevice启动总线活动提供了一种方法。任何一个Adevice, 包括PC或便携式电脑，都可以响应SRP；任何一个Bdevice,包括一个标准USB外设， 都可以启动SRP；要求一个双重功能设备既能启动SRP，又能响应SRP。
1.3主机流通协议HNP(Host Negotiation Protocol)
HNP是一种用来实现Adevice和Bdevice主机/从机转换的协议（实际上是电缆的反转）。主/从机功能交换的结果表现在下列过程中：
(1)利用上拉电阻来发送信号给从机。
(2)Adevice可在Bdevice上设置“HNP Enable”特性。
(3)Bdevice断开上拉。
(4)ADevice与上拉电阻相连，表明Adevice从属于从机。
(5)Adevice给Vbus供电。
(6)Bdevice检测Adevice的上拉。
(7)复位/列举/使用Adevice。
1.4驱动程序^［5］
与PC主机不同，便携式设备没有便捷的方式和足够的空间装载新的驱动程序。因此，OTG 规范要求每个两用OTG设备有一个支持的外设式OTG目标设备的列表，列表中包括设备的类型和制造商等信息。
与PC机不同，OTG两用设备的驱动程序栈由USB主机栈和USB设备栈构成以满足两种工作方式的需要。OTG驱动程序通过连接器的不同或者是否有NHP交换设备的工作方式来决定使用USB主机栈还是USB设备栈。
当OTG两用设备以主机方式工作时，USB主机栈工作。其中的主机控制器驱动程序负责USB 主机栈与硬件端点的数据交换，USB驱动程序枚举并保存设备的信息，目标外设主机类驱动程序支持目标设备列表里的设备。主机类驱动程序由芯片制造商提供，同时，OTG提供通用的主机类驱动程序（可以修改以用于非通用设备）。
当OTG两用设备以从机方式工作时，USB设备栈工作。其中的设备控制器驱动程序负责USB 设备栈与硬件端点的数据交换，USB协议层负责处理USB协议规范，设备类驱动程序的功能取决于该两用设备的功能（如数码照相机、存储设备、打印机等）。
OTG驱动程序负责处理两用OTG设备的工作方式转换，同时，他还可以返回其结果（如设备是否支持HNP）并处理总线错误。应用层程序通过OTG驱动程序开始或者结束一个传输事务， 通过USB主机栈或设备栈与硬件层交换数据。
1.5数据流模型
OTG主机和设备被划分为功能层、USB设备层和USB接口层3个不同层次，如图2所示^{［5 ］}。USB接口层为OTG主机和OTG设备提供物理连接，USB系统软件使用主机控制器来管理主机与 USB设备的数据传输。USB系统软件相对于主机控制器而言，处理的是以客户角度观察的数据传输及客户与设备的交互。USB设备层为USB主机系统软件提供一个可用的逻辑设备。主机通过与之功能匹配的客户软件实现其各种功能。
OTG设备与以往的USB设备一样有两种通道：数据流通道和消息通道。数据流通道没有定义好的结果，而消息通道则有固定的结构。但是，每个通道都有一定的带宽、传输类型、传输方向和缓冲区大小。自供电设备配置一个默认的控制通道，由他提供该设备的配置和状态等信息。2目前数码相机伴侣存在的问题及其解决方案
上面对USB OTG的工作原理的主要部分进行了说明，下面将探讨USB OTG的应用。
当前随着中高档数码设备如数码相机的价格的下降，已经开始普及到千家万户，统计表明 ，2003年上半年数码相机的销量达到38.5万台，年底有望突破100万台，其进口量比去年同期增加了53倍，而现在一般使用的数码相机象素在200万_~400万，尤其以320万象素左右的为市场热点，如果要拍摄高质量的照片，每张会超过1M，即使是256M的存储空间也会很快消耗光了，而现在市场上CF卡等存储介质的价格一直高居不下，所以就应运而生了一种叫做数码相机伴侣(典型的产品如Phototainer，韩国Innoplus公司产品)的电子消费类产品。 这类产品能够提供以下功能：
(1)通过读卡机，能把各种存储介质（比如SD卡，CF卡等）上的内容拷贝到移动硬盘中去 ，为外出旅行的人们提供了极大的方便。
(2)通过USB口，可以在计算机上和数码相机伴侣之间进行数据拷贝、删除等功能。
(3)提供大容量的存储空间（从10 GB到40 GB都有），外出旅行的人再也不必为存储卡的容量操心了，大可放心的拍摄。
作者认为这类产品美中不足的是：
(1)他读取数码相机存储介质的方法是通过读卡机来实现的，也就是必须把数码相机的存储介质取下来，插到数码相机伴侣上的插口里，不但很不方便，而且注定了数码相机伴侣的尺寸重量不会很小，由于存在不同存储介质还必须有不同类型的插口（一般都是要两种插口 ）。
(2)为了兼容多种存储介质，还必须要配置转接设备。
(3)耗电量也很大的，一般来说，一次充电只能用1_~2 h。?
(4)当前许多此类产品还采用USB 1.1接口，传输速度显然不可能达到用户的期望。
针对上面存在的问题，作者考虑把USB OTG技术应用到数码相机伴侣上来，从以下几个方面进行改进：
(1)采用PHILIPS ISP1362芯片^［4］来实现USB OTG功能。优点如下：
①利用USB OTG的双重角色功能，使之可以在连接到其他便携式数码产品或者存储介质时可以作为主机，来完成数据从其他外设拷贝到移动硬盘中；当他连接到PC中时，就可以作为普通的USB设备，由PC控制，进行数据的操作。
②采用USB OTG，整体结构将发生翻天覆地的变化，将读取数据等工作将由芯片完成 ，也就省去了很多关系存储卡的工作，所以可以将尺寸和重量做的很小，而且在使用的时候也是很方便的，只要使用USB电缆连接移动硬盘和数码相机伴侣等设备就可以了。
③USB OTG的优秀电源管理能力也能使电池的使用时间更加持久。
(2)可以考虑采用大容量微硬盘，一方面满足大容量的存储需求，另一方面可以把整个数码相机伴侣体积大幅度的减小。
(3)USB 2.0在速度上的优势已经得到了市场的积极支持，所以采用的USB 2.0接口保证了数据传输的高效。
经过改进后的数码相机伴侣与目前市面上的数码相机伴侣相比，具有如下特点：
(1)PHILIPS ISP1362芯片来实现USB OTG功能，无需PC就可把图像等数据拷贝到硬盘上。
(2)内置1英寸大容量微硬盘，满足现在数据大量存储的要求。
(3)无需取下数码相机等数码设备的存储卡，使用方便。
(4)采用USB 2.0规范，最高速度可以达到480 Mb/s。?
(5)可以充当便携式移动硬盘，完成数据备份等工作。
(6)简单控制，只有电源和复制按钮，即可轻松实现对存储数据的操作。
(7)采用微硬盘，典型的产品如Magicstore,体积可以更小，更时尚诱人。
(8)使用LCD显示各种状态。
(9)由于使用了OTG的特别供电模式，电源耐久性会有很好表现。
具有USB OTG功能的数码相机伴侣由于其具有海量存储、存取数据、存取速度快和出色的电源管理等特点，不仅可以充当便携式移动硬盘，更为外出旅行的人提供了极大的方便。3结语
分析讨论了USB 2.0补充规范OTG的工作原理，作者针对目前数码相机伴侣存在的问题提出了应用USB OTG技术进行改进的方案。USB OTG已受到Cypress等芯片供应商、软件开发商和设备制造商的广泛支持，该方案从理论上和实际应用上都是实际可行的，非常具有应用价值。USB OTG规范是USB 2.0规范的补充而不是替代品。PC主机和标准外设并没有被取代， 因为新的OTG仅适用于需要具有主机功能和更小体积的便携式设备。OTG在这些外设间引入了点对点的(point　to　point)通信方式，这使得便携式仪器的发展有了更加广阔的空间，OTG不久将会成为新一代的“移动计算”解决方案。
参考文献 ［1］ Universal serial bus specification.Revision 1.1.Compaq Computer Corporatio n, Intel Corporation, Microsoft Corporation, NEC Corporation, September 1998.
［2］ Universal serial bus specification.Revision 2.0.Compaq Computer Corporatio n, Intel Corporation, Microsoft Corporation, NEC Corporation etc, Apri l 2000.??
［3］ On-The-Go supplement to the USB 2.0 specification Revisio n 1.0aUSB Implementers Forum,Inc(USB-IF),June 2003??
［4］ISP1362 USBOTG.广州周立功单片机发展公司，2003，5?
［5］ 杨智君，田地，余青松，等.USB On-The-Go 技术概述［J］.电子技术应 用，2003，(6)：44-49.