USB On-The-Go技術(shù)詳解
摘要：USB OTG(On-The-Go)是USB 2.0規(guī)范的補充,它使外設可以在無主機參與的情況下直接互連進行通信工程.本文討論了USB OTG補充規(guī)范的新增特性,包括OTG事務請求協(xié)議SRP和主機流通協(xié)議HNP、連接器和電纜、兩用OTG設備和外設式OTG設備、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
USB的廣泛應用其正在成為外設與PC機及膝上型電腦連接的工業(yè)標準USB外設主要是便攜式設備,隨著其數(shù)量的不斷增多,設備之間無主機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設備時遇到的設備互連直接通信的解決方案.USB 2.0 雖然在速度等方面有很大的改進,但同樣要依賴計算機主機進行通信。
2001年底,USB開發(fā)者論壇(USB Implementers Forum,USB IF)發(fā)布了專門用于USB外設間“可移動互連”的USB2.0補充規(guī)范USB On-The-Go,其目標是使外設以主機的身份和另外特定的一組外設直接通信。本文中歸納USB 2.0補充規(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補充規(guī)范對USB2.0的最重要的擴展是其更具節(jié)能性的電源管理和允許設備以主機和外設兩種形式工作。OTG有兩種設備類型:兩用OTG設備(Dual-role device)和外設式OTG設備(Perip-heral-only OTG device) 。兩用OTG設備完全符合USB2.0規(guī)范,同時它還要提供有限的主機能力考核成績和一個MiniAB插座、支持主機流通協(xié)議(Host Negotiation Protocol,HNP),并和外設式OTG設備一樣支持事務請求協(xié)議(Session Request Protocol,SRP).當作為主機工作時,兩用OTG設備可在總線上提供8mA的電流,而以往標準主機則需要提供100～500mA的電流。
兩個兩用OTG設備連接在一起時可交替以主機和從機的方式工作,這個特點兼容了現(xiàn)有USB規(guī)范主機/外設的結(jié)構(gòu)模型。OTG主機同樣負責補始化數(shù)據(jù)通信的任務,比如:總線復位、獲取USB各種描述符和配置設備。這些配置完成后,兩個OTG設備便可以分別以主機和從機方式傳輸信息,兩個設備主從角色交換的過程由主機傳輸協(xié)議(HNP)定義。以下以兩用OTG設備為例討論SRP和HNP。
1.1 事務請求協(xié)議SRP
在以往的USB系統(tǒng)運行過程中,主機提供5V的電源和不低于100mA的總線電流。當OTG主機(指以主機方式工作的兩用OTG設備,又稱A-device)連接到有線電源時這種方法是適用的,但像手機這樣的自供電移動設備則不能承受如此大的電能浪費。為了節(jié)約電源延長電池的使用壽命,當總線上沒有活動時,OTG主機將掛起總線電源VBUS。SRP協(xié)議可使OTG從機(指外設式設備或者以外設方式工作的兩用設備,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)議交換兩個設備的工作方式,這兩步完成后由新的OTG主機開始事務傳輸。B-device可在前一事務結(jié)束2ms后的任意時間開始SRP,SRP的時序波形見圖形1。
??? B-device將先后執(zhí)行數(shù)據(jù)線脈沖調(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(全速和高速設備為D+,低速設備為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,這個時間應能保證不大于13μF的電容充電至2.1V(OTG設備的電容是6.5μF或更小),從而不會對標準主機的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電流不會破壞標準主機的端口。
A-device檢測到數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制或者VBUS脈沖調(diào)制后,首先復位總線,然后發(fā)送Set_feature命令而先不進行設備的枚舉,此時B-device尚處在默認的從機狀態(tài)。如果Set_feature命令成功執(zhí)行,說明B-device為兩用OTG設備,A-device(使用HNP協(xié)議)掛起VBUS準備讓B-device交換為主機方式接管總線。如果Set_feature命令執(zhí)行失敗,說明B-device為外設式OTG設備,于是A-device使能VBUS準備開始一個傳輸事務（此時,A-device只是被喚醒,并未改變工作方式）。當A-device認為總線上沒有傳輸需要時,掛起VBUS以結(jié)束該事務。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 主機流通協(xié)議HNP
當兩用設備連接了一個Mini-A插頭或者Mini-B插頭時,它相應的便以OTG主機或者OTG外設的默認方式工作。A-device為默認主機,所以由它提供VBUS電源,且在檢測到有設備接入時復位總線、八舉并配置B-device。
A-device在完成對B-device的使用后,可以通過查詢B-device的OTG性能描述符來判斷是否支持HNP協(xié)議（即是否為兩用OTG設備）。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方式工作,隨后A-device掛起總線。HNP的時序波形見圖2。
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,A-device使能它的數(shù)據(jù)線并開始以從機方式工作。完成這些轉(zhuǎn)換后,B-device和A-device便各自以主機角色和外設角色使用總線。如果該B-device屬于兩用OTG設備且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。當B-device正常結(jié)束傳輸事務時便掛起VBUS使能其上拉電阻,重新以從機方式運行。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,可以同時用于主機式和外設式的設備、具有更低的電源需求、擴展的電源保護模式和利于上層軟件開發(fā)的簡潔設計。
OTG和現(xiàn)有的USB2.0規(guī)范完全兼容,一個主要的機械上改進是它的新式連接器。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（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%）,更適合于便攜式設備。
Mini-AB插座用于兩用設備。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,這樣兩用設備便可識別連接設備的類型以決定設備的默認角色。
Mini-A和Mini-B插頭是嚴格配對適用的,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更新近于橢圓形,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兩用設備需要一個Standard-A插座至Mini-A插頭的適配器,而且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設備類型
OTG有兩種設備：兩用OTG設備和外設式OTG設備。兩用OTG設備可以作為USB外設或者USB OTG主機,并且可為總線提供8mA電流。而外設式OTG設備不具備主機性能,它必須在向兩用設備（主機）的請求獲準后才能通信。兩用OTG設備必須能以全速方式運行,而高速運行的方式是可選的。外設型OTG設備可以設計在高速、全速和低速中的任意一種方式下工作。
3.1 兩用OTG設備（dual-role device）
兩用OTG設備都有一個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設備連接在一起,而此時用戶不會覺察到兩個設備的不同,也不知道它們的默認主從配置。
A-device（主機）必須在事務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備的連接的非對等關(guān)系。A-device負責為總線供電因此它控制通信發(fā)生的時機,B-device只有通過SRP協(xié)議向“主機”請求傳輸。
設計一個兩用設備是比較困難的,因為它要具備：有限的主機能力、可作為一個全速的外設（可選的高速方式）、OTG目標設備的列表、目標設備的驅(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 外設式OTG設備（Peripheral-only OTG device）
外設式OTG設備是普通的USB外設。它有一個OTG功能描述符說明其支持事務請求協(xié)議SRP而且它不是兩用OTG設備。此外,外設式OTG設備只能配置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（此處指外設式設備）向A-device請求傳輸事務時必須使用的協(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,并開始一個相應的傳輸事務。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設備不必實現(xiàn)OTG的所有性能。例如,一個外設式OTG設備可能只需支持SRP和一個小于等于8mA的默認電流消耗配置。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設備還是外設式OTG設備,都可以和通用的許機相連,只不過兩用OTG設備具有一定的主機能力（可以驅(qū)動特定的一組OTG設備工作）。
4 驅(qū)動程序
與PC主機不同,便攜式設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設備有一個支持的外設式OTG目標設備的列表,列表中包括設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)范的設備,OTG主機只需提供一個驅(qū)動程序即可,這將使OTG主機無需為每個設備提供單獨的驅(qū)動程序,從而支持盡量多的OTG外設。
與PC機不同,OTG兩用設備的驅(qū)動程序棧由USB主機棧和USB設備棧構(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不否有NHP交換設備的工作方式來決定使用USB主機棧還是USB設備棧。
當OTG兩用設備以主機方式工作時,USB主機棧工作。其中的主機控制器驅(qū)程序負責USB主機棧與硬件端點的數(shù)據(jù)交換,USB驅(qū)動程序枚舉并保存設備的信息,目標外設主機類驅(qū)動程序支持目標設備列表里的設備。主機類驅(qū)動程序由芯片制造商提供,同時,OTG提供通用的主機類驅(qū)動程序（可以修改以用于非通用設備）。
當OTG兩用設備以從機方式工作時,USB設備棧工作。其中的設備控制器驅(qū)動程序負責USB設備棧與硬件端點的數(shù)據(jù)交換,USB協(xié)議層負責處理USB協(xié)議規(guī)范,設備類驅(qū)動程序的功能取決于該兩用設備的功能（如數(shù)碼照相機、存儲設備、打印機等）。
OTG驅(qū)動程序負責處理兩用OTG設備的工作方式轉(zhuǎn)換,同時,它還可以返回其結(jié)果（如設備是否支持HNP）并處理總線錯誤。應用層程序通過OTG驅(qū)動程序開始或者結(jié)束一個傳輸事務,通過USB主機?；蛟O備棧與硬件層交換數(shù)據(jù)。OTG兩用設備的驅(qū)動程序棧配置見圖3。
5 數(shù)據(jù)流模型
OTG主機和設備被劃分為功能層、USB設備層和USB接口層三個不販層次,見圖4。
USB接口層為OTG主機和OTG設備提供物理連接,USB系統(tǒng)軟件使用主機控制器來管理主機與USB設備的數(shù)據(jù)傳輸。USB系統(tǒng)軟件相對于主機控制器而言,處理的是以客戶角度觀察的數(shù)據(jù)傳輸及客戶與設備的交互。USB設備層為USB主機系統(tǒng)軟件提供一個可用的邏輯設備。主機通過與之功能匹配的客戶軟件實現(xiàn)其各種功能。
OTG設備與以往的USB設備一樣的兩種通道：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)果,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。自供電設備配置一個默認的控制通道,由它提供該設備的配置和狀態(tài)等信息。
USB OTG規(guī)范是USB2.0規(guī)范的補充而不是替代品。PC主機和標準外設并沒有被取代,因為新的OTG僅適用于需要具有主機功能和更小體積的便攜式設備。OTG在這些外設間引入了點對點的(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等芯片供應商、軟件開發(fā)商和設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。