USB On-The-Go技能详解
摘要：USB OTG(On-The-Go)是USB 2.0规范的弥补,它使外设能够在无主机参加的情况下直接互连进行通讯工程.本文评论了USB OTG弥补规范的新增特性,包含OTG业务恳求协议SRP和主机流转协议HNP、衔接器和电缆、两用OTG设备和外设式OTG设备、驱动程序以及数据流模型。
关键词：USB 2.0 OTG 规范
USB的广泛应用其正在成为外设与PC机及膝上型电脑衔接的工业规范USB外设首要是便携式设备,跟着其数量的不断增多,设备之间无主机参加的直接通讯成为亟待解决的问题。咱们开发了依据USB总线(接口芯片为Philips公司的PDIUSBD12)的数据收集体系,取得了满意的作用。但在开发USB1.1设备时遇到的设备互连直接通讯的解决方案.USB 2.0 虽然在速度等方面有很大的改善,但相同要依靠核算机主机进行通讯。
2001年末,USB开发者论坛(USB Implementers Forum,USB IF)发布了专门用于USB外设间“可移动互连”的USB2.0弥补规范USB On-The-Go,其方针是使外设以主机的身份和别的特定的一组外设直接通讯。本文中概括USB 2.0弥补规范OTG的相关技能,并首要评论其新增特性。
1 新的协议
OTG弥补规范对USB2.0的最重要的扩展是其更具节能性的电源办理和答应设备以主机和外设两种办法作业。OTG有两种设备类型:两用OTG设备(Dual-role device)和外设式OTG设备(Perip-heral-only OTG device) 。两用OTG设备彻底契合USB2.0规范,一起它还要供给有限的主机才能考核成绩和一个MiniAB插座、支撑主机流转协议(Host NegoTIaTIon Protocol,HNP),并和外设式OTG设备相同支撑业务恳求协议(Session Request Protocol,SRP).当作为主机作业时,两用OTG设备可在总线上供给8mA的电流,而以往规范主机则需求供给100～500mA的电流。
两个两用OTG设备衔接在一起时可替换以主机和从机的办法作业,这个特色兼容了现有USB规范主机/外设的结构模型。OTG主机相同担任补始化数据通讯的使命,比方:总线复位、获取USB各种描述符和装备设备。这些装备完结后,两个OTG设备便能够别离以主机和从机办法传输信息,两个设备主从人物交流的进程由主机传输协议(HNP)界说。以下以两用OTG设备为例评论SRP和HNP。
1.1 业务恳求协议SRP
在以往的USB体系运转进程中,主机供给5V的电源和不低于100mA的总线电流。当OTG主机(指以主机办法作业的两用OTG设备,又称A-device)衔接到有线电源时这种办法是适用的,但像手机这样的自供电移动设备则不能接受如此大的电能糟蹋。为了节省电源延伸电池的运用寿命,当总线上没有活动时,OTG主机将挂起总线电源VBUS。SRP协议可使OTG从机(指外设式设备或许以外设办法作业的两用设备,又称B-device,此处指后者)恳求A-device从头使能VBUS,然后A-device运用HNP协议交流两个设备的作业办法,这两步完结后由新的OTG主机开端业务传输。B-device可在前一业务完毕2ms后的恣意时刻开端SRP,SRP的时序波形见图形1。
B-device将先后履行数据线脉冲调制(data-line pul-sing)和VBUS脉冲调制(VBUS pulsing) 。它经过使能数据线上拉电阻(全速和高速设备为D+,低速设备为D-)5～10ms完结前者,后者经过驱动VBUS完结。VBUS有必要要有满意长的时刻对其电容充电,这个时刻应能确保不大于13μF的电容充电至2.1V(OTG设备的电容是6.5μF或更小),然后不会对规范主机的96μF或更高的电容充电至2.0V。该约束确保了从B-device引来的VBUS电流不会损坏规范主机的端口。
A-device检测到数据线脉冲调制或许VBUS脉冲调制后,首要复位总线,然后发送Set_feature指令而先不进行设备的枚举,此刻B-device尚处在默许的从机状况。假如Set_feature指令成功履行,阐明B-device为两用OTG设备,A-device(运用HNP协议)挂起VBUS预备让B-device交流为主机办法接收总线。假如Set_feature指令履行失利,阐明B-device为外设式OTG设备,所以A-device使能VBUS预备开端一个传输业务（此刻,A-device仅仅被唤醒,并未改动作业办法）。当A-device以为总线上没有传输需求时,挂起VBUS以完毕该业务。这种A-device自动检测B-device是否支撑HNP协议的特征称为”No Silent Failure”。
1.2 主机流转协议HNP
当两用设备衔接了一个Mini-A插头或许Mini-B插头时,它相应的便以OTG主机或许OTG外设的默许办法作业。A-device为默许主机,所以由它供给VBUS电源,且在检测到有设备接入时复位总线、八举并装备B-device。
A-device在完结对B-device的运用后,能够经过查询B-device的OTG功用描述符来判别是否支撑HNP协议（即是否为两用OTG设备）。如支撑HNP,B-device将回来有用的OTG功用描述符,A-device则发作一个Set_feature指令（即HNP_Enable）来告诉B-device能够在总线挂起的时分以主机办法作业,随后A-device挂起总线。HNP的时序波形见图2。
B-device经过上拉电阻（全速时）或许下拉电阻（高速时）拉低D+以示衔接断开。随后,作为对B-device断开的呼应,A-device使能它的数据线并开端以从机办法作业。完结这些转化后,B-device和A-device便各自以主机人物和外设人物运用总线。假如该B-device归于两用OTG设备且A-device不再运用它了,A-device便重发Set_feature指令并挂起总线。若B-device恳求人物转化时犯错,A-device则拉低VBUS以完毕该业务。当B-device正常完毕传输业务时便挂起VBUS使能其上拉电阻,从头以从机办法运转。A-device检测到总线挂起后,宣布一个衔接断开信号并从头以主机办法作业。
2 衔接器和电缆
2.1 衔接器
USB IF在OTG中界说了更小的衔接器,能够一起用于主机式和外设式的设备、具有更低的电源需求、扩展的电源保护模式和利于上层软件开发的简练规划。
OTG和现有的USB2.0规范彻底兼容,一个首要的机械上改善是它的新式衔接器。USB 2.0界说了三种衔接器对（插头和插座）：Standard-A、Standard-B和Mini-B。Mini-B衔接器是专为较小的外设（如移动电话等）开发的。OTG规范添加了第四种插头：Mini-A,两种插座：Mini-A和Mini-AB。这些衔接器比开端的USB衔接器要小许多（如：Mini-A插头截面积只要Standard-A插头的38%）,更适合于便携式设备。
Mini-AB插座用于两用设备。Mini-A新增的ID脚（曾经的USB插头不含此脚）在衔接Mini-AB时接地短路,而Mini-B则使该脚断开,这样两用设备便可辨认衔接设备的类型以决议设备的默许人物。
Mini-A和Mini-B插头是严厉配对适用的,如：不能将Mini-A插头和Mini-B插座合作运用。可是,Mini-AB插座适合于以上两种插头。在外形上,Mini-A更新近于椭圆形,而Mini-B更接近于正方形。别的,他们的插头和插座内部的塑料都有色彩：Mini-A为白色,Mini-B为黑色,Mini-AB为灰色。
2.2 电缆
USB 2.0规范界说了两种电缆：Standard-A至Standard-B和Standard-A至Mini-B。OTG新增了两种电缆：Mini-A至Standard-B和Mini-A至Mini-B。Mini-A-to-Mini-B电缆的推迟被削减到能够在“A端”运用适配器,如：用Standard-A插头衔接OTG两用设备需求一个Standard-A插座至Mini-A插头的适配器,并且Mini-A插头衔接Standard-A插座时需求一个Mini-A插座至Standard-A插头的适配器。
3 USB On-The-Go设备类型
OTG有两种设备：两用OTG设备和外设式OTG设备。两用OTG设备能够作为USB外设或许USB OTG主机,并且可为总线供给8mA电流。而外设式OTG设备不具有主机功用,它有必要在向两用设备（主机）的恳求获准后才干通讯。两用OTG设备有必要能以全速办法运转,而高速运转的办法是可选的。外设型OTG设备能够规划在高速、全速和低速中的恣意一种办法下作业。
3.1 两用OTG设备（dual-role device）
两用OTG设备都有一个Mini-AB插槽,所以一个Mini-A至Mini-B电缆能够直接将两个两用OTG设备衔接在一起,而此刻用户不会觉察到两个设备的不同,也不知道它们的默许主从装备。
A-device（主机）有必要在业务传输进程中供给总线电源,这是A-device和B-device的首要不同,一起也阐明晰两个设备的衔接的非对等关系。A-device担任为总线供电因而它操控通讯发作的机遇,B-device只要经过SRP协议向“主机”恳求传输。
规划一个两用设备是比较困难的,由于它要具有：有限的主机才能、可作为一个全速的外设（可选的高速办法）、OTG方针设备的列表、方针设备的驱动程序、支撑SRP、支撑HNP、一个Mini-AB插座、VBUS上不小于8mA的电流输出、与用户通讯的办法。
3.2 外设式OTG设备（Peripheral-only OTG device）
外设式OTG设备是一般的USB外设。它有一个OTG功用描述符阐明其支撑业务恳求协议SRP并且它不是两用OTG设备。此外,外设式OTG设备只能装备Mini-B型插座或许有必要有一个带Mini-A插头的隶属电缆,而不能运用Mini-AB型插座。
SRP是B-device（此处指外设式设备）向A-device恳求传输业务时有必要运用的协议。它由前面说到的数据线脉冲调制和VBUS脉冲调制（B-device发作）两种办法构成。A-device有必要能检测这两种办法之一的信号,并开端一个相应的传输业务。除了固件（firmware）略有添加外,B-device一起可发作两种信号的本钱并没有添加本钱,并且还使完结A-device愈加简略（只需依据实际情况供给其间一种办法的检测）。
一个OTG设备不用完结OTG的一切功用。例如,一个外设式OTG设备或许只需支撑SRP和一个小于等于8mA的默许电流耗费装备。其实,添加对SRP支撑也较简略：在VBUS上接一个驱动电阻并添加一些简略的逻辑,然后发作VBUS脉冲调制信号。
别的,无论是两用OTG设备仍是外设式OTG设备,都能够和通用的许机相连,只不过两用OTG设备具有必定的主机才能（能够驱动特定的一组OTG设备作业）。
4 驱动程序
与PC主机不同,便携式设备没有快捷的办法和满意的空间装载新的驱动程序。因而,OTG规范要求每个两用OTG设备有一个支撑的外设式OTG方针设备的列表,列表中包含设备的类型和制造商等信息。USB IF正方案界说“OTG Type”规范。关于契合此规范的设备,OTG主机只需供给一个驱动程序即可,这将使OTG主机无需为每个设备供给独自的驱动程序,然后支撑尽量多的OTG外设。
与PC机不同,OTG两用设备的驱动程序栈由USB主机栈和USB设备栈构成以满意两种作业办法的需求,见图3。OTG驱动程序经过衔接器的不同或许不否有NHP交流设备的作业办法来决议运用USB主机栈仍是USB设备栈。
当OTG两用设备以主机办法作业时,USB主机栈作业。其间的主机操控器驱程序担任USB主机栈与硬件端点的数据交流,USB驱动程序枚举并保存设备的信息,方针外设主机类驱动程序支撑方针设备列表里的设备。主机类驱动程序由芯片制造商供给,一起,OTG供给通用的主机类驱动程序（能够修改以用于非通用设备）。
当OTG两用设备以从机办法作业时,USB设备栈作业。其间的设备操控器驱动程序担任USB设备栈与硬件端点的数据交流,USB协议层担任处理USB协议规范,设备类驱动程序的功用取决于该两用设备的功用（如数码照相机、存储设备、打印机等）。
OTG驱动程序担任处理两用OTG设备的作业办法转化,一起,它还能够回来其成果（如设备是否支撑HNP）并处理总线过错。应用层程序经过OTG驱动程序开端或许完毕一个传输业务,经过USB主机栈或设备栈与硬件层交流数据。OTG两用设备的驱动程序栈装备见图3。
5 数据流模型
OTG主机和设备被划分为功用层、USB设备层和USB接口层三个不贩层次,见图4。
USB接口层为OTG主机和OTG设备供给物理衔接,USB体系软件运用主机操控器来办理主机与USB设备的数据传输。USB体系软件相关于主机操控器而言,处理的是以客户视点调查的数据传输及客户与设备的交互。USB设备层为USB主机体系软件供给一个可用的逻辑设备。主机经过与之功用匹配的客户软件完结其各种功用。
OTG设备与以往的USB设备相同的两种通道：数据流转道和音讯通道。数据流转道没有界说好的成果,而音讯通道则有固定的结构。可是,每个通道都有必定的带宽、传输类型、传输方向和缓冲区巨细。自供电设备装备一个默许的操控通道,由它供给该设备的装备和状况等信息。
USB OTG规范是USB2.0规范的弥补而不是替代品。PC主机和规范外设并没有被替代,由于新的OTG仅适用于需求具有主机功用和更小体积的便携式设备。OTG在这些外设间引进了点对点的(point-to-point)通讯办法,这使得便携式仪器的开展有了愈加宽广的空间。USB OTG已遭到Cypress等芯片供货商、软件开发商和设备制造商的广泛支撑,OTG不久将会成为新一代的“移动核算”解决方案。
