充分利用USB OTG可提供的种种优点(一)

由USB实践者论坛(USB－IF)发展起来的USB OTG规范为手持式设备和个人PC的外设之间的接口提供了一种通用、可互操作的解决方案。除了全速USB设备所具有的功能外，USB OTG还能让所有手持设备和PC外设具有一定的USB主机功能。比如，PDA或者照相机可以直接和打印机相连，或者PDA可以直接往便携式USB硬盘驱动器或CD-RW驱动器传递文件，这些都不需要PC作为中介。

普遍存在的USB

USB几乎成了所有PC和与PC进行通信的外设的必备接口。现在，USB已被接受并成为公认的标准，而且对用户而言USB是必备的接口。拥有12Mbps(全速)和480Mbps(高速)模式的USB，为用户应用提供了更充足的带宽。

当前，几乎所有的PC外设，照相机、PDA、移动电话以及机顶盒都采用USB接口。利用大多数外设中已有的USB接口，USB OTG很轻松地就促使USB接口成为用户外设中真正的便携式“On-The-Go”接口标准。

双重功能

随着PDA、移动电话、数码相机等基于微处理的手持设备的爆炸式发展，对便携性以及不用依赖台式PC的需求快速增长。USB OTG为PDA、移动电话和其它手持设备之间以及它们与任何USB外设之间的随时、随地通信提供了具有成本效益的解决方法。

USB OTG产品可以将USB主机和外设控制器两种功能集成在一个芯片上。这样的产品被称为“双用(dual-role)器件”。由于具备这些性能，USB OTG芯片可以用作支持高速、全速及低速设备的USB主机，也可以作为USB外设。主机与外设之间的角色转换由主机通信协议(HNP)决定。HNP允许主机功能在两个设备之间转换，从而取消了切换电缆。利用这个特点，双用器件的制造商可以指定他们的器件支持何种外设。但是，USB OTG双用控制器设计具有挑战性，其设计主要包含三个主要模块：USB主控制器、USB设备控制器，以及集成了OTG HNP、模拟部分(充电泵，收发器电压电平检测)和软件驱动器的OTG模块。

主控制器

嵌入式主控制器(HC)IC应具有与PC主机相同的功能，能支持5级的集线器。在PC中，HC在整个PCI总线中使用总线控制协议。为便于将HC设计到在用户现有的产品中，HC不应该是总线控制，而是从属(slave-only)总线控制。这里不需要内存总线控制，微处理只需要将它的传输描述符和载荷发送给从主机，之后从主机将会处理传输描述符并且发出USB数据流。在一个灵活的设计中，此控制器可以和任何微处理器外设总线接口。

USB OTG能够减少用户的设计工作，这得益于USB OTG具有这些特性：1)从属总线协议；2)足够的内置RAM；3)软件(类似OHCI)驱动以允许软件复用；4)支持间接寻址或寄存器映射寻址的CPU接口；5)对微处理器的低速CPU中断，同时仍可提供最大的USB性能；6)可以最大化USB总线同步、中断、块传输带宽的USB传输描述符协议。

从属总线协议置需要CPU以通过并行总线或从属DMA读写HC。HC将不控制数据总线，这点很重要，因为在一个产品中USB并非是主要功能，相反它只是一个具有连接特性的增值功能。

低速中断非常关键，因为我们需要考虑要将软件驱动器移植到不同的实时操作系统中。根据整个系统需要，这些操作系统的中断服务程序运行时间从几微妙到几毫秒不等。在保持应用系统主要功能的性能的同时，低速中断可发挥USB最大性能。为不同USB传输描述符类型设计的协议可以处理多种USB数据事务处理。

设备控制器

C必须支持集成了串行接口引擎(SIE)、缓冲存储器以及收发器的高性能USB接口设备，同时还必须提供完全独立、多配置的DMA操作。HC应该能处理多达14个可编程的USB端点、两个固定控制的IN/OUT端点、2462字节的集成物理多配置存储器，以及能增加吞吐量和便于实时数据传输的双缓冲端点。

用于DC的“乒乓”缓冲RAM不受HC缓冲RAM的影响。当缓冲RAM为满时，DC将缓冲RAM中的数据传输到USB总线上。当缓冲RAM为空时，会产生一个中断以通知微处理器传送数据。微处理器和DC之间的数据传输可以在编程I/O(PIO)模式或DMA模式下进行。

此外，DC有自己独立RAM，该RAM仅在用户需要该设备并同时需要主机运行时才需要。为了从主机切换到设备以及从设备切换到主机，OTG控制器模块必须监控设备和主机中的一些状态，以实现安全切换，并符合OTG HNP协议规范。

OTG模块

OTG模块提供模拟部件、定时器以及一组状态和控制寄存器来支持对话请求协议(SRP)和HNP的软件实现。另外，OTG模块还提供电源管理电路，允许芯片进入省电模式并通过特定事件将其唤醒。集成的模拟部件包括：USB模拟收发器(ATX)、D+及D-线上的上拉和下拉电阻、内置5V充电泵、V_BUS电压比较器、V_BUS上的上拉和下拉电阻、ID检测器。

为实现高达12Mbps的操作，USBATX应该能够在全速及低速下传输信号数据。ATX必须支持高达480Mbps的高速传输。

V_BUS电压比较器包括用于va_vbus_vld(>4.4V)、va_sess_vld(0.8to2.0V)、vb_sess_vld(2.0to4.0V)以及vb_sess_end(<0.8V)的V_BUS电压检测器。V_BUS上的上拉、下拉电阻分别对V_BUS电压充放电，以完成V_BUS对SRP的脉冲调制。

由于芯片电阻允许有较大误差(高达±27%)，因此D+线上的上拉电阻采用可变的上拉电阻。当USB总线空闲时，用一个900至1575欧姆的电阻以使空闲电压维持在2.7V以上。当USB总线发送数据时，用一个1425至3090欧姆的电阻来保持信号质量(图1所示)。

内置的5V充电泵提供电池供电的手持设备中V_BUS线电源，通常该电池V_BAT在2.7V-4.5V之间。充电泵提供给V_BUS负载的电流大小有限。建议设计允许用5V的外部电源驱动SUB>BUS，以便支持那些需要大电流的应用，例如机顶盒上的V_BUS电流高达500μA。ID检测用来确定连接到mini-AB插座的是mini-A接头还是mini-B接头。如果检测是mini-A接头连接到mini-AB插座，则设备充当主机，称为A设备。如果检测是mini-B接头，则设备是外设状态，称为B设备。

对于支持mini-USB模拟车载工具套件(car kit)应用的设备而言，ID检测器需要识别ID管脚是通过电阻接地还是浮空。如果ID检测器中用到内部上拉电阻，则建议当ID短接于地且总线处于空闲时，切断该上拉电阻。这样可以保持持闲置电流尽可能低，这点在电池供电的设备尤为重要。

作者：Alan Chang，Shaun Reemeyer，Zhong Wei Wang，飞利浦半导体