嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的USB OTG方案

與PC系統(tǒng)相比，設(shè)計工程師在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB將面臨很多挑戰(zhàn)和局限性，包括功耗、PCB面積、CPU處理能力等。本文以TD1120為例，分析了嵌入式應(yīng)用中USB OTG控制器的功能特性，以及基于TD1120的軟件實現(xiàn)。 　　移動設(shè)備和嵌入式市場的爆炸性增長促進了通過公共標準接口在不同設(shè)備之間進行方便的數(shù)據(jù)共享需求的增長。通用串行接口(USB)的廣泛應(yīng)用穩(wěn)固了其作為業(yè)界標準接口的地位，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)I/O連接的事實標準。USB的成功和流行歸功于其具有熱拔插和即插即用的易用性能。USB從最初引入到PC，到目前已經(jīng)迅速擴展到非PC的應(yīng)用，包括移動嵌入式系統(tǒng)。今天嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)商的問題已經(jīng)不是在產(chǎn)品中實現(xiàn)USB，而是如何最佳地將USB性能集成到他的產(chǎn)品中去，以大大地提升產(chǎn)品的連接性能。

在嵌入式應(yīng)用中實現(xiàn)USB并不那么簡單，與PC系統(tǒng)相比，設(shè)計工程師將面臨很多挑戰(zhàn)和局限性。如果USB實現(xiàn)的規(guī)劃很好，將簡化并加快把USB集成到終端產(chǎn)品的工作。這其中涉及到關(guān)于根據(jù)終端產(chǎn)品的USB應(yīng)用情況進行的系統(tǒng)層面決策，產(chǎn)品特性和性能要求的權(quán)衡的不同將影響到USB功能性的恰當(dāng)實現(xiàn)。

USB2.0與OTG

USB2.0規(guī)范是USB1.1的演進，采用一個高速接口使系統(tǒng)生產(chǎn)商能推出具有相同易用連接優(yōu)點的高性能產(chǎn)品。USB2.0支持高達480Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，并且與USB1.1規(guī)范后向兼容，而后者僅支持全速的12Mbps和低速的1.5Mbps。

USB OTG是USB2.0規(guī)范的補充，結(jié)合了對移動應(yīng)用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接頭以及在相同的USB端口上增加了雙重角色的功能(作為主機和外設(shè)的功能)。OTG通過在沒有計算機的情況下，相互之間對等連接使傳統(tǒng)的只能作為USB外設(shè)的移動產(chǎn)品的性能和連接性得到擴展。

圖1：USB軟件與操作系統(tǒng)的上層關(guān)系圖。

OTG控制器

TD1120是TransDimensiON公司提供的第三代OTG控制器，并針對便攜式媒體播放器(PMP)、智能電話、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式視頻錄像機(PVR)、數(shù)字相冊和多功能打印機等進行了優(yōu)化。TD1120使得這些產(chǎn)品能擴展其應(yīng)用，既可以當(dāng)作全速USB主機操作或高速外設(shè)，又能同時執(zhí)行兩種功能。

數(shù)據(jù)內(nèi)容量的增加和要求高帶寬的應(yīng)用(例如大數(shù)據(jù)文件的傳輸)推動了高速外設(shè)連接需求。TD1120能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，減少像連接到PC這樣的USB主機時大數(shù)據(jù)內(nèi)容(圖形文件)的傳輸時間。當(dāng)在主機模式時，TD1120使系統(tǒng)能連接到更寬范圍的USB外設(shè)，例如大容量存儲設(shè)備(U盤)、鍵盤、鼠標、打印機以及數(shù)碼相機。在全速下功耗較低，能延長系統(tǒng)電池壽命。

對于多功能打印機，TD1120提供了一種將打印機升級到具有USB主機功能和外設(shè)連接特性的一種具有成本效益的方法。高速USB外設(shè)控制器提供從打印機到PC的連接，同時全速主機控制器能支持PictBridge功能，這樣用戶就可以將數(shù)碼相機連接到具有PictBridge的打印機，實現(xiàn)照片直接打印。

PC環(huán)境通常具有高性能的CPU，這個CPU具有充足的存儲器、功率預(yù)算以及PCB空間。然而，在嵌入式應(yīng)用中，由于產(chǎn)品設(shè)計的要求，這些資源是非常有限的。要恰當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)USB功能特性，需要認真的產(chǎn)品規(guī)劃和系統(tǒng)層面的考慮，這需要從USB應(yīng)用、特性和性能要求以及權(quán)衡這些選擇對嵌入式處理器、操作系統(tǒng)(OS)和USB軟件堆棧的影響的判斷能力。

相對于需要分別用來支持高速外設(shè)和全速主機功能兩個USB控制器的雙芯片實現(xiàn)來說，TD1120提供USB設(shè)計靈活性、低功耗、大大節(jié)省PCB空間并縮短系統(tǒng)開發(fā)周期的方案，這些都是工程師的主要關(guān)注的，這些好處同樣也轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)成本的節(jié)省、加快客戶產(chǎn)品面市時間。

TD1120允許多端口配置、同時的主機和外設(shè)操作以及靈活的操作模式。支持以下端口配置：雙端口，一個OTG端口加標準的全速主機端口；三端口，兩個全速主機端口和一個高速外設(shè)端口。Mini-AB插座用來作為OTG端口(OTG端口具有雙重角色功能)。OTG端口可以配制成主機端口或外設(shè)端口，取決于插入Mini-A或Mini-B插頭時所檢測到的ID管腳。如果插入的是Mini-A插頭(ID管腳短路)，端口配置為主機，當(dāng)Mini-B插頭插入(ID管腳浮置)，則端口配置為外設(shè)。

TD1120集成了一個片上高電流充電泵，可以支持高達100mA的電流，這樣可以支持很多種USB設(shè)備，包括鍵盤、鼠標、部分U盤，這樣就不存在需要外部充電泵的問題。此外，還集成了鎖相環(huán)(PLL)來支持外部晶振或12MHz和30MHz晶振實現(xiàn)額外的系統(tǒng)靈活性。

采用TD1120在全速主機模式下功耗低于40mA(最大)，全速外設(shè)操作時最大為80mA。TD1120整個芯片支持功率節(jié)省模式，包括主機控制器以及外設(shè)控制器的延緩模式以使功率消耗最小化，延長系統(tǒng)電池壽命，對于移動設(shè)備來說，電池壽命是很關(guān)鍵的性能。

接口性能表現(xiàn)

USB數(shù)據(jù)傳輸速率高度依賴于系統(tǒng)平臺。對速率的期望要現(xiàn)實而適當(dāng)，因為有很多因素會影響到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，包括CPU處理能力、CPU的利用率、OS存儲系統(tǒng)總線訪問時間、USB控制器、系統(tǒng)應(yīng)用程序、軟件和協(xié)議開銷，等等。采用400MHz處理器的嵌入式系統(tǒng)不能與4GHz CPU的USB速度相提并論，后者在高速模式下可以達到200Mbps的吞吐量。

圖2：TD1120架構(gòu)框圖。

TD1120設(shè)計實現(xiàn)了硬件處理調(diào)度和傳輸層協(xié)議，包括實現(xiàn)高級性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、重試和帶寬管理。當(dāng)出現(xiàn)傳輸錯誤或者設(shè)備還沒有準備接收傳輸時，將發(fā)送設(shè)備否定應(yīng)答(NAK)。NAK可以是性能和系統(tǒng)影響的巨大因素，TD1120的設(shè)計減小了這些影響。當(dāng)出現(xiàn)在主機與連接的外設(shè)之間進行大量的數(shù)據(jù)交換所采用的批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r時，批量列表結(jié)構(gòu)(Bulk list structure)經(jīng)過存儲器映射到TD1120的主機控制器，所有因為USB設(shè)備NAK而產(chǎn)生的重試以及傳輸描述符(TD)都在硬件內(nèi)部處理，而不需要對系統(tǒng)總線的持續(xù)訪問，這樣減少了中斷并降低了對CPU的占用。

TD1120的高速的外設(shè)控制器實現(xiàn)了像連接到PC這樣的主機的性能，減少了傳輸大量數(shù)據(jù)內(nèi)容的時間，因而大大提高了通過高速外設(shè)控制器的吞吐量，提升了用戶體驗。TD1120支持兩個與外部直接存儲器存取(DMA)主機接口的從DMA通道，這樣可以在沒有CPU干涉的情況下實現(xiàn)從或到外部存儲器或設(shè)備的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，減少對系統(tǒng)CPU的占用。然而，必須注意仔細調(diào)整CPU的外部存儲器訪問時間，以嚴格匹配外部USB主機控制器的時序要求，從而提高系統(tǒng)性能。

軟件支持

軟件在實現(xiàn)USB功能方面扮演了主要的角色。用于驅(qū)動控制器的必要軟件可能很復(fù)雜。除了硬件之外，選擇適當(dāng)?shù)腛S和USB堆棧方案是USB實現(xiàn)的關(guān)鍵。支持TD1120的軟件可以從TransDimension的SoftConnex軟件套件得到，很多的實時操作系統(tǒng)(RTOS)都支持該軟件堆棧，該軟件套件提供完整的嵌入式USB方案的軟件堆棧和驅(qū)動程序。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域采用了大量的實時操作系統(tǒng)。本身帶有USB主機和外設(shè)堆棧支持的操作系統(tǒng)在市場上并不多，如WinCE或Linux。對這些本身就帶有USB堆棧的操作系統(tǒng)，TransDimension支持主機和外設(shè)低級控制器驅(qū)動程序來與USB協(xié)議層接口。協(xié)議堆棧負責(zé)協(xié)議管理和調(diào)度功能，包括處理即插即用特性，以便告知系統(tǒng)新插入的設(shè)備，并管理帶寬以及其他與USB相關(guān)的資源。

對于其他本身并不帶USB堆棧的操作系統(tǒng)來說，TransDimension可以通過向客戶發(fā)放許可證的形式讓客戶使用TransDimension的軟件堆棧和驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)USB主機、外設(shè)或OTG功能，并將其配置到很多種操作系統(tǒng)和CPU。模塊化的軟件架構(gòu)能實現(xiàn)靈活的產(chǎn)品設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計工程師可以輕易地從主機或/和外設(shè)設(shè)計轉(zhuǎn)到OTG方案上。

此外，TransDimension還提供便攜主機控制器驅(qū)動程序(HCD)以及外設(shè)控制器驅(qū)動程序(PCD)。開發(fā)商可以輕易地將驅(qū)動程序移植到多種USB主機和外設(shè)軟件堆棧、操作系統(tǒng)、處理器和硬件平臺中。便攜HCD和PCD提供設(shè)計工程師低級的應(yīng)用編程接口(API)驅(qū)動程序來開發(fā)他們自己的USB方案，而可以不管TD1120是如何工作的細節(jié)。

便攜式HCD和PCD提供簡單的API，使用戶能寫?yīng)毩⒌腢SB應(yīng)用程序以及將驅(qū)動程序連接到現(xiàn)存的USB堆棧，并實現(xiàn)特定應(yīng)用軟件。當(dāng)要求更多特性的應(yīng)用，如支持大容量存儲，而內(nèi)部開發(fā)能力和資源受到項目時間的限制，采用授權(quán)軟件產(chǎn)品可以提供最快的產(chǎn)品面世方案。

低功率設(shè)計

--低功率特性包括可調(diào)節(jié)內(nèi)核時鐘、動態(tài)寄存器關(guān)斷、動態(tài)和可編程時鐘選通大大降低功率消耗

魯棒的OTG邏輯

--可配置硬件和軟件主機協(xié)調(diào)協(xié)議和會話請求協(xié)議

內(nèi)存映射接口

--16位數(shù)據(jù)總線允許直接連接到大多數(shù)微處理器

同時操作

--主機和外設(shè)控制器實現(xiàn)允許同時操作

靈活的端口配置

--允許多個端口配置，支持多達3個端口