USB OTG連結多種行動裝置介紹

USB已成為連結各種外圍裝置與個人計算機的普及標準。新推出的USB 規(guī)格附錄 (USB On-The-Go (OTG) Supplement) 讓USB能進一步支援「端對端」(peer-to-peer) 的連結模式，以及讓裝置可以扮演主控端或外圍端的角色。此外這套新標準亦提供更佳的電源效率管理。
本文將簡述USB規(guī)格附錄的各種功能，敘述此一技術當前的發(fā)展狀況，并以Cypress EZ-OTG控制器為例，進一步來說明USB OTG實際能。

USB技術發(fā)展背景介紹
USB規(guī)格于1996年問市，提供一套簡易、符合經濟效益、操作簡便的連結機制，讓各種外圍組件能與個人計算機相互連結。從打印機、掃瞄器、到燒錄器，USB已成為連結大多數PC外圍裝置的主要接口。
在2000年， USB2.0在全速12Mbps與低速1.5Mbp兩個模式之外，更加入了480Mbps的高速模式，USB的傳輸速度一舉提高40倍，使USB更適合支持各種高效能外圍設備，例如像大容量儲存裝置以及數字攝影機等。此項規(guī)格已成功地邁入全新的階段，為行動裝置市場提供更好的服務。
USB規(guī)格附錄在2001年12月正式登場。這套增補規(guī)格定義了機構、電子、以及通訊協(xié)議等原理，讓USB可以簡易地運用在行動科技中。

市場對OTG增補規(guī)格的需求
為了解OTG的各種優(yōu)點，首先要了解USB背后的發(fā)展原理以及可攜式裝置的特殊需求，才能體會USB在因應這些需求時所欠缺的功能。
USB 最初是設計成一套主從式通訊協(xié)議(master-slave protocol)，可以運用在一組主控端以及其它可能的多組外圍端。因此，系統(tǒng)的操控機制主要落在主控端設備上。PC有大容量的儲存空間，可儲存趨動程序與應用軟件，故能在有需要時立即安裝新的軟件。USB使用方向性的接線，在主控端與外圍端的插頭上使用不同型狀的設計，避免使用者將接線插錯方向。在電源方面也是假設主控端設備能為系統(tǒng)提供無限時的電源而設計的。
隨著微處理器的效能、內存儲存密度、以及電池技術持續(xù)演進，促使各種性能優(yōu)越的可攜式裝置急速的成長，例如像行動電話、MP3隨身聽、數字相機、以及PDA等。此類裝置功能的擴充促使了與PC、外圍裝置、以及其它可攜式裝置分享數據的需要。
這些新裝置的許多應用層面以及通訊需求，已超越USB當初制定時的考量。各種可攜式裝置之間或與外圍設備之間的串連，通常以一對一的形式進行，與一般PC與周邊裝置的一對多連結模式不同。串連功能相近的裝置，其模式較接近端對端 (peer-to-peer)，而非PC與外圍裝置之間的主從關系。的確，可攜式裝置有時較像外圍裝置，有時則須扮演主控端的角色。
由此可見，由于USB最初制定時的各種假設，加上各種可攜式裝置不同的需求，讓典型的USB技術在支持可攜式裝置是不理想的。但由于USB本身具備熟悉度、使用簡易、符合成本、以及大量裝置安裝USB等優(yōu)勢，因此OTG規(guī)格附錄的宗旨在于縮小規(guī)格差異，將USB的優(yōu)勢利用在迅速成長的可攜式裝置市場中。

OTG 機構規(guī)格
在最底層的規(guī)格方面，OTG規(guī)格附錄為克服規(guī)格效能上的差距，在尺吋、連結效率、以及耐用度方面增加許多機構性功能。
在1996年規(guī)格中所制定的標準USB接頭尺吋遠小于平行或串行端口的接頭，但使用于迷你型手機或MP3隨身聽時，尺吋還是太大。USB 2.0規(guī)格上市及OTG規(guī)格附錄的Mini-A 與Mini-B型的插頭與插座，便是針對此需求推出的。新的插頭與插座尺吋小于原先的全尺吋型插頭與插座，更適合在各種可攜式裝置上的使用。
在可攜式裝置應用USB的最大障礙就是方向性接線的設計。USB規(guī)格規(guī)定所有鄰近主控端(「上行」)的連結埠都須使用A接頭連接，而鄰近外圍端(「下行」埠)的連接埠則使用B接頭。這種模式在PC與外圍裝置上可順利運作，因為使用者不可能把線接錯方向。但若是當可攜式裝置同時扮演主控端(一部PDA連至打印機)與外圍端(同一部PDA連至PC進行數據更新)，則這種模式就較不適用。
OTG規(guī)格附錄以定義新型的連結器來解決這方面的問題，這個連結器即為Mini-AB型插座。新型插座應用在雙重角色的裝置(能扮演主控端或外圍端)，能接上Mini-A 或Mini-B插頭。從此以后，雙重角色的裝置不再需要兩種不同的插頭即可以任意扮演主控端或外圍端。
Mini-AB的秘密即是新增ID pin設計的Mini接頭 – 在以往標準USB接頭中所看不到的pin。在Mini-A插頭上的pin與接地線之間呈短路狀態(tài)(shorted to ground)，而在Mini-B插頭上則呈未連結狀態(tài)。雙重角色的裝置利用這個ID pin辨識連結的插頭的屬性，并藉此決定要扮演的角色。這種設計讓單接頭的裝置能使用USB方向性纜線扮演主控端或外圍端的角色。
最后，OTG規(guī)格附錄包括一項微小但對最初USB規(guī)格重要的耐用度的提升。USB規(guī)格要求插頭與插座必須能承受1500次的插拔。這個規(guī)范對許多桌上型系統(tǒng)(例如像桌上型PC的鍵盤在整個生命周期中可能僅會插拔三到四次)而言十分足夠，但對于一些可攜式系統(tǒng)而言可能稍嫌不足。例如，在外奔波的職員每天須將PDA與行動電話連接數十次。OTG規(guī)格將插頭與插座的插拔耐用度門坎提高至5000次，足以讓機動商務人士在至少3年半中放心地插拔各種可攜式裝置的插頭。

主控端與裝置角色的切換
OTG增補規(guī)格新定義的Mini-AB插座，讓配備一組連接器的裝置能扮演主控端或外圍端的角色。具備這種能力的裝置稱為「雙重角色裝置」(dual-role device, DRD )。例如，使用者可將雙重角色相機連至PC。連接在線的A插頭可連至PC，連結在線的Mini-B插頭則連至數字相機。相機可利用插頭上的ID pin偵測發(fā)現應扮演外圍端的角色。在這種組態(tài)下，使用者可將相片從數字相機復制到PC。
運用Mini-AB插頭，使用者可利用一端為Mini-A插頭而另一端為Standard-B插頭的傳輸線，將相機直接連至打印機。B插頭可插至打印機的B插座，而Mini-A插頭在插至相機的Mini-AB插座時，就會通知相機扮演主控端的角色。在這種組態(tài)下，使用者可直接將影像從打印機上印出，而不須先將影像上傳至PC。
在上述的狀況中，最初USB規(guī)格規(guī)范的方向性接線配合新定義的Mini-AB接頭，讓相機能在兩種狀態(tài)下都能順利運作。
但是，若兩組雙重角色型裝置進行連結時，會發(fā)生什么狀況呢?
OTG規(guī)格附錄將這種情況稱為主控端協(xié)商通訊協(xié)議(host negotiation protocol, HNP) 的傳輸機制。如上述，USB原先是規(guī)畫成一種主從式通訊協(xié)議，總線上所有傳輸作業(yè)都是由主控端啟動。當雙重角色裝置連上Mini-A插頭時，預設狀態(tài)就會切換成主控端的角色。若是連上Mini-B插頭時，預設狀態(tài)則會切換成外圍端角色。但使用者不必拔下再插上接頭，便能讓雙重角色裝置從主控端切換為外圍端模式。透過HNP，原本預設狀態(tài)為外圍端的雙重角色裝置，可發(fā)送要求訊號并切換為主控端。這種功能讓現有的USB主從架構能提供 「peer-to-peer」的作業(yè)模式。
圖1 介紹主控端協(xié)商通訊協(xié)議。在執(zhí)行HNP時，A裝置(連至傳輸在線的Mini-A插頭) 必須先讓B裝置運用OTG增補規(guī)格規(guī)范的Set Feature功能取得總線的控制權。啟動后，B裝置將從A裝置手上接管總線的控制權。當A裝置想讓B裝置扮演主控端的角色時，它會停止所有的總線的傳輸作業(yè)(點 1)。之后B裝置能降低D+線發(fā)送中止聯(lián)機訊號(點 2)。此時A裝置會啟動其數據傳輸線提升電阻(點 3)，完成整個切換作業(yè)。此時B裝置就能扮演主控端的角色，而A裝置則切換為外圍端。B裝置會重置A裝置(點 4)，并開始進行通訊(點 5)。

B裝置可以中止總線(點 6)，將總線的控制權交還給A裝置。A裝置在偵測到這個狀態(tài)后，就會關閉D+ 線提升電阻 (點 7)。 B裝置之后會重新啟動其D+ 提升(pull up)電組(點 8)，讓裝置回到原先的角色(點 9與10)。

改進電源管理效率
可攜式USB裝置的最后一項問題就是電源管理。在 「典型」的USB系統(tǒng)中，主控端負責提供5伏特的額定電源，而當主控端開始運作時，USB的VBUS 線路上的電流則須維持在至少100mA。這種模式在主控端插上電源插座時不會遭遇任何問題，但卻會快速耗盡像是行動電話這類小型裝置的電力。
為節(jié)省電力并延長電池的續(xù)航力，OTG規(guī)格讓A裝置能在總線沒有運作時關閉VBUS電壓。若B裝置欲進行通訊，它會使用傳輸要求通訊協(xié)議(session request protocol, SRP)向A裝置發(fā)送要求，重新開啟VBUS 并啟動一個傳輸階段。
B裝置可以在前一個傳輸階段終止2 毫秒之后，啟動SRP作業(yè)。在圖2中，A裝置在點 1中止總線，并藉由關閉點 2上的VBUS來終止傳輸。B裝置會透過「數據傳輸線脈沖」(data-line pulsing)與「VBUS 脈沖」(VBUS pulsing)來啟動SRP協(xié)定。B裝置透過啟動數據傳輸線提升電阻(以D+為全速裝置，D-為低速裝置)至5至10毫秒(點3至4) 之間運作，來啟動數據傳輸線的脈沖訊號。VBUS 脈沖則是透過趨動微弱VBUS表示(點 5至6)。微弱的趨動訊號仍足以將OTG線路的電壓提高到2.1伏特以上，但不足以將更高負載的 「典型」傳輸線路的電壓提高至2.0伏特。
A裝置在偵測到數據傳輸線的脈沖或VBUS 脈沖訊號時，就會開啟VBUS (點 7)并啟動一個傳輸階段，再度開始進行USB數據傳輸(點 9與10)。當A裝置判斷總線上沒有其它數據要傳送時，就會關閉VBUS來中止傳輸階段。

USB OTG發(fā)展現況
On-The-Go規(guī)格附錄是由一個委員會負責制定，此委員會的成員包含連接器制造商、IP廠商、芯片組件供貨商、軟件研發(fā)業(yè)者、以及設備制造商的代表。規(guī)格附錄在2001年12月18日以USB規(guī)格附加條文的型式發(fā)表并獲得采納。
從成立開始，On-The-Go委員會即將重心放在教育、兼容性計劃、以及建置等領域。委員會持續(xù)在美國、亞洲、以及歐洲等地贊助訓練課程，也計劃協(xié)助研發(fā)業(yè)者與使用者了解OTG功能所帶來的利益。此外，委員會也正推廣USB新商標，提供所有通過OTG認證的裝置使用。
此一委員會另一個主要工作領域就是OTG的兼容性規(guī)范。這份文件定義各種測試設備與程序，用來確保支持OTG的裝置在兼容的情況下運作。測試設備現已建構完成，軟件亦開發(fā)成功，且測試規(guī)格也已即將發(fā)表。這些測試將協(xié)助研發(fā)業(yè)者開發(fā)各種最佳裝置，提升使用者經驗。
最后OTG的委員與業(yè)界正致力開發(fā)硬件、軟件、以及架構，讓消費者能享受OTG規(guī)格附件的各種優(yōu)點。最新公告顯示OTG正跨入實際產品的門坎，各種初期研發(fā)的產品即將上市。

以EZ-OTG為例
在目前符合USB OTG標準的諸多產品當中，Cypress所推出的EZ-OTG控制器是其中最先進的組件之一；這是一套單芯片整合型控制器，搭載兩組獨立的USB連結埠，每個連結埠都支持主控端及外圍端，其中一組USB端口支持OTG規(guī)格附錄所定義的各項新功能。此外，EZ-OTG內含一組48 MHz的16位微處理器，負責控制USB連結端口以及執(zhí)行其它功能，亦提供各種系統(tǒng)接口。
圖3 為Cypress EZ-OTG控制器的功能區(qū)塊圖，顯示其主要功能。接下來我們將詳細介紹這些主要的功能。
EZ-USB 的特色
EZ-USB控制器提供兩組獨立的USB連結埠，每組連結埠能支持主控端或外圍端的模式。其中一組USB支持OTG增補規(guī)格所有的新功能。每個連結端口皆符合USB 2.0的規(guī)格，并支持全速(12 Mbps)或低速(1.5 Mbps)的模式。
在外圍模式下，每個USB連結點能支持八組端點 (endpoint numbers)。Endpoint 0主要傳送控制數據流型態(tài)來提供所有必要的支持。編號1到7的其它所有端點則可設定成全速運作模式下的Bulk、Isochronous，或是低速模式下的Interrupt狀態(tài)。
兩組USB連結埠能獨立運作或是扮演主控端或外圍端的模式，讓EZ-OTG組件能應用在純外圍、純主控端、或是隨時機動切換(OTG雙重角色裝置)的系統(tǒng)。
其中一組連結端口含有芯片型特殊線路 (on-chip circuitry)，支持OTG規(guī)格附錄所制定的各種新功能。線路內含所有趨動程序、接收器、以及電壓比對器，能以A端或B端的角色執(zhí)行主控端協(xié)商通訊協(xié)議(HNP)以及傳輸要求通訊協(xié)議(SRP)。

處理器與編程功能
兩組獨立的USB連結端口從內建的微處理器進行控制。這套處理器為一組48 MHz的16位RISC處理器。EZ-OTG包括一組內建BIOS ROM，提供相關程序代碼將EZ-OTG切換至可通訊的狀態(tài)，并能存取USB連結端口與其它接口。

控制器內含16 kByte的內建RAM內存，能儲存變量及執(zhí)行程序，為客戶提供所要的各種功能與特性。經由各種外部資源程序代碼可以透過芯片內建的接口加載至RAM空間中。

處理器亦內含64組可編程或軟件中斷、64組硬件中斷器、以及3組可編程序定時器。

界面

EZ-OTG 控制器除了兩組USB連結埠外，亦提供各種接口選擇。此一芯片內含25組可編程的通用型I/O訊號，能用來支持處理器執(zhí)行的程序代碼，或是配合硬件組件支持其它接口；這些接口包括：

? UART --? EZ-OTG具備一套內建的UART，支持900至115.2 kbps的序列通訊速度。

? EEPROM -- EZ-OTG 能與一套雙線式EEPROM進行通訊。

? SPI – 亦提供序列外圍接口 (Serial Peripheral Interface)。這套接口經設定后可支持主控端或從屬端模式。

? HSS -- EZ-OTG 亦支持高速序列接口 (High-Speed Interface) 標準。這套接口提供9600 kbps至2 Mbps之間的通訊速度

? HPI – 主控端連接端口接口 (Host Port Interface) 是一套16位的平行式接口，讓外部處理器能完全控制EZ-OTG。這也是Cypress的EZ-OTG搭配系統(tǒng)中的主處理器的典型模式。

其它規(guī)格
EZ-OTG 內含建構一套USB裝置所需要的所有組件。它包含一組3.3伏特的電源供應器、12 MHz的輸入時脈，亦可選擇連結至12 MHz振蕩晶體。在一般運作模式下，耗電率約為50 mA。

結論
USB OTG規(guī)格附錄提供各種新功能，將USB接口的符合成本、易用性、以及普及度的功能與利益帶入行動平臺領域。它的各種新功能讓裝置能在主控端與外圍端間隨時切換，并提供更高的省電性以及耐用度。
各種OTG裝置的建構組件現正陸續(xù)問市。其中包括Cypress推出的EZ-OTG控制器。這款多功能合一的控制器內含一組16位處理器、兩組USB連結埠、以及各種連接接口選項。