高速USB OTG——便攜設(shè)備絕佳的互連解決方案
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電子產(chǎn)品在挑戰(zhàn)尺寸、容量、處理速度與便利性的同時，也考驗(yàn)著研發(fā)人員的設(shè)計(jì)能力。過去USB接口的單向傳輸方式已很難適應(yīng)現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品所需要的強(qiáng)大功能，市場需要的是讓便攜設(shè)備直接互連的雙向連接方式。USB OTG的出現(xiàn)解決了這一問題。
便攜設(shè)備如何相互溝通
隨著便攜設(shè)備的功能和數(shù)據(jù)容量的提升，使用者也開始希望其能與其他便攜式與非便攜設(shè)備共享信息，但是掌上型設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入及顯示較為不易。因?yàn)轶w積小，便攜設(shè)備通常沒有實(shí)用的接口，只有一個小屏幕和有限的按鍵。
便攜設(shè)備存在的另一個問題是“需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量”。以一臺數(shù)碼相機(jī)為例，其存儲容量可高達(dá)數(shù)百兆。此外，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭灿泻芏啵謾C(jī)用戶可能會想將手機(jī)連接到PC，下載原先儲存的信息；有時需要和其他手機(jī)聯(lián)機(jī)，互傳電話號碼；或者需要和數(shù)碼相機(jī)聯(lián)機(jī)，上傳所拍攝的照片；當(dāng)然有時還必須連接到PDA并使用其無線網(wǎng)絡(luò)功能。
無奈手機(jī)等便攜設(shè)備體積太小，沒有空間為各種連機(jī)類型提供專屬的接頭，而且便攜設(shè)備的市場對成本相當(dāng)敏感，想要提供這么多的接頭，會導(dǎo)致成本過高。由此看來，我們需要一種便宜、普及、使用容易、傳輸速率高的
圖1 標(biāo)準(zhǔn)的USB連接架構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)的USB連機(jī)需要一個主端（host），這個主端通常是PC。如果想把儲存在某個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€外圍設(shè)備，唯一的方法是通過主端來中介傳輸，如圖1所示。例如，想要將數(shù)碼相機(jī)的照片打印出來，必須先將照片上傳到主端，再從主端傳送到打印機(jī)。為什么不在便攜設(shè)備里加入主端功能呢？USB是一種主從架構(gòu)的通信協(xié)議，原先是給一個主端搭配多個外圍設(shè)備的應(yīng)用方式設(shè)計(jì)的，因此USB連機(jī)的操控管理，多半是仰賴主端。如果要將整套USB規(guī)格的主端控管邏輯全部建構(gòu)在一個便攜設(shè)備中，對于著重功能簡便的便攜設(shè)備而言，會造成很大的負(fù)擔(dān)。而且USB傳輸線具有方向性，插入主端的接頭和插入外圍設(shè)備的接頭并不相同。
以便攜設(shè)備而言，有時候必須擔(dān)任主端的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)傳送照片給打印機(jī)；而有時候則必須擔(dān)任外圍設(shè)備的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)將照片上傳至PC，如圖2所示。雖然USB的專用接頭體積不大，但如果要建構(gòu)于小巧的便攜設(shè)備之中，可能還是過于龐大。USB架構(gòu)認(rèn)定主端具備充足的電源，可為聯(lián)機(jī)的外圍設(shè)備提供電力，有些設(shè)備甚至全部的電力都是來自USB總線的。這樣的供電架構(gòu)，對于一些電力有限的小型便攜設(shè)備而言，會造成難以承受的負(fù)擔(dān)。USB OTG補(bǔ)充規(guī)格中最重要的改變就是擴(kuò)充了原先的USB協(xié)議，提供更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娫垂芾砉δ埽⒃试S電子設(shè)備擔(dān)任主端角色或外圍角色。
圖2 USB OTG的連接架構(gòu)
雙重角色設(shè)備
“雙重角色設(shè)備（Dual-Role Device）”既可擔(dān)任主端角色、亦可擔(dān)任外圍的電子設(shè)備角色。除了要符合USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的所有要求之外，“雙重角色設(shè)備”還必須提供有限的主端功能，并支持“事務(wù)請求協(xié)議（SRP）”以及“主端協(xié)商協(xié)議（HNP）”，而且應(yīng)具備單一Mini-AB插槽。此外，這種設(shè)備必須能傳送信息給使用者。當(dāng)“雙重角色設(shè)備”處于主端模式運(yùn)作時，VBUS只需要供應(yīng)8mA的電流，這個規(guī)格有別于標(biāo)準(zhǔn)USB主端的100mA或500mA要求。
主端協(xié)商協(xié)議
當(dāng)“雙重角色設(shè)備”連接了一個Mini-A或Mini-B插頭時，它相應(yīng)的便以O(shè)TG主機(jī)或外設(shè)的默認(rèn)方式工作。A設(shè)備為默認(rèn)主端，所以由它提供VBUS電源，且在檢測到有設(shè)備接入時復(fù)位總線、列舉并配置B設(shè)備。
A設(shè)備在完成對B設(shè)備的使用后，可以通過查詢B設(shè)備的OTG性能描述符來判斷是否支持HNP（即是否為“雙重角色設(shè)備”）。如支持HNP，B設(shè)備將返回有效的OTG性能描述符，A設(shè)備則產(chǎn)生一個Set_feature命令（即HNP_Enable）來通知B設(shè)備可以在總線掛起的時候以主端方式工作，隨后A設(shè)備掛起總線。
B設(shè)備通過上拉電阻（全速時）或者下拉電阻（高速時）拉低D+（數(shù)據(jù)線上拉電阻）以示連接斷開。隨后，作為對B設(shè)備斷開的響應(yīng)，A設(shè)備使能它的數(shù)據(jù)線并開始以從端方式工作。完成這些轉(zhuǎn)換后，B設(shè)備和A設(shè)備便各自以主機(jī)角色和外設(shè)角色使用總線。如果該B設(shè)備屬于“雙重角色設(shè)備”且A設(shè)備不再使用它了，A設(shè)備便重發(fā)Set_feature命令并掛起總線。若B設(shè)備申請角色轉(zhuǎn)換時出錯，A設(shè)備則拉低VBUS以結(jié)束該事務(wù)。當(dāng)B設(shè)備正常結(jié)束傳輸事務(wù)時便掛起VBUS使能其上拉電阻，重新以從端方式運(yùn)行。A設(shè)備檢測到總線掛起后，發(fā)出一個連接斷開信號并重新以主機(jī)方式工作。
事務(wù)請求協(xié)議
在以往的USB系統(tǒng)運(yùn)行過程中,主機(jī)提供5V的電源和不低于100mA的總線電流。當(dāng)OTG主機(jī)(指以主機(jī)方式工作的兩用OTG設(shè)備,又稱A設(shè)備)連接到有線電源時這種方法是適用的，但像手機(jī)這樣的自供電移動設(shè)備則不能承受如此大的電能浪費(fèi)。為了節(jié)約電源延長電池的使用壽命,當(dāng)總線上沒有活動時，OTG主機(jī)將掛起總線電源VBUS。SRP可使OTG從端(指外設(shè)式設(shè)備或者以外設(shè)方式工作的“雙重角色設(shè)備”，又稱B設(shè)備)請求設(shè)備重新使能VBUS，而后A設(shè)備使用HNP交換兩個設(shè)備的工作方式，這兩步完成后由新的OTG主機(jī)開始事務(wù)傳輸。B設(shè)備可在前一事務(wù)結(jié)束2ms后的任意時間開始SRP。
B設(shè)備將先后執(zhí)行數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制和VBUS脈沖調(diào)制，分別通過使能數(shù)據(jù)線上拉電阻(全速和高速設(shè)備為D+,低速設(shè)備為D-)5～10ms和驅(qū)動VBUS實(shí)現(xiàn)。VBUS必須要有足夠長的時間對其電容充電,這個時間應(yīng)能保證不大于13μF的電容充電至2.1V(OTG設(shè)備的電容是6.5μF或更小),從而不會對標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的96μF或更大的電容充電至2.0V。該限制保證了從B設(shè)備引來的VBUS電流不會破壞標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的端口。
A設(shè)備檢測到數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制或者VBUS脈沖調(diào)制后，首先復(fù)位總線,然后發(fā)送Set_feature命令而先不進(jìn)行設(shè)備的枚舉,此時B設(shè)備尚處在默認(rèn)的從端狀態(tài)。如果Set_feature命令成功執(zhí)行,說明B設(shè)備為兩用OTG設(shè)備,A設(shè)備(使用HNP協(xié)議)掛起VBUS準(zhǔn)備讓B設(shè)備交換為主機(jī)方式接管總線。如果Set_feature命令執(zhí)行失敗，說明B設(shè)備為外設(shè)式OTG設(shè)備，于是A設(shè)備使能VBUS準(zhǔn)備開始一個傳輸事務(wù)（此時，A設(shè)備只是被喚醒，并未改變工作方式）。當(dāng)A設(shè)備認(rèn)為總線上沒有傳輸需要時，掛起VBUS以結(jié)束該事務(wù)。這種A設(shè)備自動檢測B設(shè)備是否支持HNP的特征稱為“No Silent Failure”。
USB得以成功的其中一項(xiàng)秘訣在于完善的認(rèn)證測試程序。這道程序能檢測設(shè)備是否符合規(guī)范且能否與其他USB設(shè)備共同運(yùn)作，唯有通過認(rèn)證測試的設(shè)備才能貼上USB的認(rèn)可標(biāo)簽。目前，認(rèn)證測試有兩種途徑，可通過USB Compliance Workshop（Plugfests）或個別的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。以上兩種方式都能將通過檢測的設(shè)備列入符合規(guī)范USB設(shè)備的整合廠商名單中。
USB OTG 評估板測試
1 USB EHCI 主端控制器測試
每個設(shè)備應(yīng)該能響應(yīng)USB規(guī)范所定義的控制請求。主端應(yīng)該能利用主端控制器經(jīng)USB纜線送出控制需求到USB設(shè)備。
圖3 EHCI 主端控制器測試架構(gòu)
測試方法如下：USB測試Class驅(qū)動呼叫由USB IP核提供更高層的API，經(jīng)USB子系統(tǒng)送出需求到USB設(shè)備。接著, 主端經(jīng)控制端點(diǎn)(Endpoint)接受控制IN/OUT，然后解析/獲得回應(yīng)數(shù)據(jù)/狀況用以核對其正確性。此外, 每個USB設(shè)備應(yīng)該包含幾個必需的描述符并依靠所接受的Get_Descriptor需求的內(nèi)容來回應(yīng)這些描述符。圖3中PC安裝Windows 2000或是Windows XP，利用ARM ADS1.2的AxD調(diào)試器，F(xiàn)A5 CPU的ICE一端連接PC的打印機(jī)口或是USB口，另一端連接開發(fā)板，開發(fā)板的另一端則是各種USB設(shè)備，如USB集線器、攝像頭、鼠標(biāo)、鍵盤和U盤。
圖4 互測SNP和HNP的連接架構(gòu)
2 OTG 測試
利用兩臺USB OTG開發(fā)板互測SNP和HNP的連接架構(gòu)如圖4所示。
圖5 大量存儲的應(yīng)用測試
應(yīng)用測試
如圖5所示，設(shè)計(jì)一個SD卡主端應(yīng)用來做演示, SD卡的大量存儲用以測試FOTG200功能。
FOTG200是智原的USB 2.0 OTG控制器, 能作為一個雙重角色。作為主設(shè)備，它包含一個USB主端制器，能支援所有速度的事務(wù)。無須軟件干涉的情形下，主端制器能處理一個基于事務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以減去主控CPU的負(fù)擔(dān)，自動地在USB總線上轉(zhuǎn)送和接收數(shù)據(jù)。作為從設(shè)備，每個端點(diǎn)，除了端點(diǎn)0，都承擔(dān)可編程的HS/FS傳輸類型提供彈性以適應(yīng)各式各樣的應(yīng)用。
在這個應(yīng)用上, USB子系統(tǒng)由USB IP核、EHCI HCD控制器、USB大量存儲Class驅(qū)動、文件系統(tǒng)和SD卡設(shè)備驅(qū)動所組成。因此,主端設(shè)備能夠讀/寫文檔到SD卡(外部設(shè)備)。順便也能驗(yàn)證大量存儲Class驅(qū)動和Bulk IN/OUT傳輸?shù)墓δ堋?nbsp;
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