USB 2.0 OTG行動版規格概述

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USB 2.0 OTG行動版規格概述

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電子產品在挑戰尺寸、容量、處理速度與便利性的同時，也考驗著工程人員的設計能力。舊式USB介面的單向傳輸方式已很難匹配現今可攜式電子產品的強大功能，市場需要的是讓可攜式裝置直接互連的雙向聯結方式。而USB OTG的問世，所有問題將迎刃而解。 隨著電子產業不斷革新與演進，電子產品的成本亦隨之降低。尺寸設計更為輕巧，而耗電量也相對降低許多，使得可攜式電子裝置不論在數量或種類上，在過去幾年都呈現爆炸性成長。行動電話、數位相機、PDA、MP3播放機等裝置，不但功能愈來愈多，其儲存容量和處理速度也愈來愈高。這些新型的高階配備，為使用者所帶來的便利與功能，在幾年前幾乎是無法想像的。 而這些功能強大的新型配備問世後，設計通訊協定、系統架構和硬體裝置的工程師，也面臨到新的問題與挑戰。以往應用於交流電器的傳統設計法，未必適用於新一代電子裝置的各種特性。 與可攜式裝置互相通訊的挑戰 隨著可攜式裝置的功能和資料容量的提高，使用者也開始希望能與其他可攜式裝置、非可攜式裝置互相共享資訊，但是掌上型裝置的資料輸入及資料顯示較為不易，這個問題並不存在於個人電腦或其他高階電子產品。可攜式裝置因為體積小，通常沒有很實用而共通的人機介面，常常只有一個小螢幕以及數目有限的按鍵。這個嚴重的問題，使得這些裝置的資料輸入與存取，無法匹配其性能與儲存容量。舉例來說，要製作一個可儲存一萬筆電話號碼的手機，在技術上並不困難，但是要用手機本身小小的數字鍵盤來輸入那麼多的人名和電話號碼，幾乎是不可能的事。 可攜式裝置的另一個問題是必須要傳輸的資料量。以一台數位相機為例，其儲存容量就可高達數百MB。此外，資料傳輸的方式也有很多類型。比方說，手機用戶可能會想將手機連接到個人電腦，下載原先儲存的訊息；有時需要和其他手機連線，互傳電話號碼；或者需要和數位相機連線，上傳所拍攝的相片；當然有時還必須連接到PDA，使用無線網路功能。 但是，手機之類的可攜式裝置體積太小，沒有空間為各種連線類型提供專屬的接頭，而且可攜式裝置的市場對成本相當敏感，想要提供這麼多的接頭，會使成本過於昂貴。此外，很多使用可攜式裝置的用戶，並不熟悉太過於技術性的功能，所以廠商設計的資料傳輸方式，必須是簡易且直覺式設計。 由此看來，我們需要一種便宜、普及、使用容易、傳輸速率高的連線方式，使各種不同的電子裝置能夠彼此通訊且傳輸資料。 傳統USB介面並非萬能 通用序列匯流排（USB）介面，就是一種可行的連結方式。USB介面在個人電腦已經相當普及，可連接滑鼠、鍵盤等簡單配備，也可連接印表機、MP3播放機等較複雜的配備。過去三年以來全世界所銷售的電腦，幾乎每一台都有USB功能，目前用戶所使用的電腦及週邊配備，已超過十億台具備USB功能。USB的成本低、性能穩定又容易使用，且它的效能高，資料傳輸速率可達1.5 Mbps至480 Mbps。 但是，標準的USB連線需要一個主控端（host），這個主控端通常是個人電腦。如果我們想把一份儲存在週邊配備的資料，傳輸到另一個週邊配備，唯一的方法是透過主控端來中介傳輸，詳見(圖一)。 註：標準的USB連線架構 圖一　個人電腦與印表機、相機、PDA連線 標準的USB系統配置，是由個人電腦作為主控端，而其它的配備則作為週邊，週邊配備彼此不能直接互連，所有的資料必須透過主控端來中介傳輸。舉例來說，如果我們想要將數位相機的照片列印出來，必須先將相片上傳到主控端，再從主控端傳送到印表機。 那麼，為什麼不在可攜式裝置裡，加入主控端功能呢？這個方法聽起來簡單，但實際做起來可不容易。 USB是一種主從架構的通訊協定，原先是設計給一個主控端搭配多個週邊配備的應用方式，因此USB連線的操控管理，多半是仰賴主控端。如果要將整套USB規格的主控端控管邏輯，全部建構在一個可攜式裝置中，對於著重功能簡便而專一的可攜式裝置而言，可能會造成很大的負擔。而且USB傳輸線具有方向性，插入主控端的接頭和插入週邊配備的接頭並不相同。 以可攜式裝置而言，有時候必須擔任主控端的角色，例如數位相機傳送相片給印表機。而有時候則必須擔任週邊配備的角色，例如數位相機將相片上傳至桌上型電腦，如(圖二)。而且雖然USB的專用接頭體積不大，但如果要建構於小巧的可攜式裝置之中，可能還是過於龐大。最後一點，USB架構認定主控端具備充足的電源，可為連線的週邊配備提供電力，有些配備甚至全部的電力都是來自USB匯流排。這樣的供電架構，對於一些電力有限的小型可攜式裝置而言，會造成難以管理的負擔。 圖二　理想的連線架構 我們真正需要的，是一種能讓可攜式裝置直接互連的連線方式。舉例來說，我們可能希望如圖二a所示，比照標準的USB架構，將數位相機直接連線到個人電腦，上傳相片圖檔。也可能希望如圖二b所示，將數位相機直接連線到印表機，不需要透過電腦主機，即可直接列印相片。 USB的多項優點，一定有辦法能克服上述的缺點，使USB能實際應用於可攜式裝置之中。 USB OTG出馬　問題迎刃而解 USB難題的解決之道終於問世。USB標準規格於2001年12月增訂USB OTG（USB On-The-Go）規格，解決了可攜式裝置的建構需求，其內容包括：制訂體積較小的接頭規格，而且相同的接頭可用於主控模式及週邊模式，另外還制定一套新協定，可讓兩個裝置協商何者扮演主控角色、何者扮演週邊角色。新規格的供電需求量較低，使得電源節約模式的功能也有所改良，另外還增添了幾項限制，以降低軟體常態運作的負荷。OTG雖然有了這些新功能，但還是和現有的USB規格完全相容。接下來，本文將針對這些新功能一一詳細介紹，並探討這套新規格對於系統設計所帶來的影響。 新式接頭 在USB規格的機械性改良方面，主要是增添了幾款新型接頭，針對既有的A型接頭及B型接頭，這次新增了Mini-A和Mini-B接頭與插槽，以及一種Mini-AB型插槽。這些接頭與插槽，體積比原先的USB規格小了很多。 圖三　Mini-A接頭與標準A型接頭的橫斷面比較圖 　 　 圖四　Mini-B接頭與標準B型接頭的橫斷面比較圖 Mini-AB插槽適用於雙模式裝置，既可扮演主控角色、亦可扮演週邊角色的裝置。另外還有一個ID接腳，這個接腳在標準的USB接頭中並不存在，在Mini-A接頭則用於短路接地，在Mini-B接頭則處於斷接狀態。雙模式裝置利用這個ID接腳來判斷目前連接的是哪一種接頭，並以此決定預設的角色。 新通訊協定 OTG增訂規格中最重要的變革，即為擴充了原先的USB協定，提供更嚴謹的電源管理功能，並允許電子裝置擔任主控角色或週邊角色。而這些革命性的功能將討論如下。 雙模式裝置（Dual-Role Device） 「雙模式裝置」即為可擔任主控角色、亦可擔任週邊角色的電子裝置。除了要符合USB 2.0標準的所有要求之外，雙模式裝置還必須提供有限的主控功能，並支援「通訊請求協定」（Session Request Protocol；SRP）以及「主控協商協定」（Host Negotiation Protocol；HNP），而且應具備單一Mini-AB插槽。此外，這種裝置必須要能傳送訊息給使用者。當雙模式裝置處於主控模式運作時，VBUS只需要供應8mA的電流，這個規格有別於標準USB主控端的100mA或500mA要求。 主控協商協定（Host Negotiation Protocol） USB本質上屬於一種主從架構協定，匯流排上所有的資料傳輸，都是由主控端來啟始。當雙模式裝置連接Mini-A插頭時，該裝置預設為擔任主控角色；如果連接Mini-B接頭，則預設為擔任週邊角色。如果使用者想把雙模式裝置從主控模式切換為週邊模式，並不需要拔除連接線再重新插入，OTG規格定義了一種主控協商協定（HNP），透過這個協定，原先連線時預設為週邊模式的雙模式裝置，可請求成為主控端。 HNP協定進行時，A裝置必須先透過OTG規格所新定義的Set Feature request，啟動B裝置的匯流排控管功能，一旦啟動之後，B裝置就可以在A裝置允許的狀況下，操控匯流排的運作。當A裝置想讓B裝置成為主控端時，首先A裝置會停止所有的資料傳輸，使匯流排暫停，接著B裝置可降低D＋線路至低位準，產生一個斷線訊號（disconnect），然後A裝置會啟動其資料線路的上拉電阻（pull-up resistor），完成運作模式的切換。切換之後，B裝置就可以擔任主控角色，而A裝置則以週邊模式回應。 如果B裝置想要將主控權歸還A裝置，可以暫停匯流排，並啟動本身的D＋上拉電阻，A裝置感測到之後，會停止本身的D＋上拉電阻，並恢復成主控模式運作。請參閱(圖五)的HNP示意圖。 圖五　HNP示意圖 兩個互相連接的雙模式裝置，可以透過HNP交換主控端角色。圖五顯示A裝置與B裝置逐步執行HNP時，D＋線路的訊號活動。 (1)A裝置停止資料傳輸，使匯流排暫停。 (2)B裝置感應到匯流排暫停，停止本身的上拉電阻，A裝置端的下拉電阻將D＋拉至低位準。 (3)A裝置偵測到斷線狀態（disconnect），啟動本身的D＋上拉電阻。 (4)B裝置偵測到D＋升高，認定為連線狀態，進入主控模式，接著將A裝置列為本身的週邊裝置，執行USB重置（USB Reset）。 (5)匯流排恢復資料傳輸，由擔任主控端的B裝置加以操控。 (6)當B裝置決定放棄匯流排控制權時，會停止資料傳輸，使匯流排暫停。 (7)A裝置感應到匯流排暫停，停止本身的上拉電阻。 (8)B裝置感應到D＋降低，重新啟動本身的上拉電阻。 (9)A裝置進入主控模式，並將B裝置列為週邊，執行USB重置。匯流排恢復資料傳輸，再度由A裝置擔任主控端角色。 通訊請求協定（SRP） 典型的USB系統，主控端在處於運作狀態時，USB VBUS必須隨時提供5V的額定電壓，以及最少100mA的電流。這樣的供電需求對於連接到電源插座的主機而言，當然沒有問題，但對於手機之類的小型裝置，就無法負荷這樣的耗電量。為了節約電源，延長電池供電壽命，OTG規格允許OTG主控端（A裝置）在匯流排不傳輸資料時，可將VBUS關閉。SRP協定可讓擔任週邊的B裝置請求A裝置重新啟動VBUS，開始另一次的通訊階段（session）。 當前一次通訊階段已終止2ms之後，B裝置可以隨時啟動SRP協定。SRP協定啟動時，B裝置會進行「資料線路脈衝」以及「VBUS脈衝」，資料線路脈衝是將資料線路的上拉電阻（全速裝置位於D＋，低速裝置位於D－）啟動5ms到10ms，VBUS脈衝是將VBUS輕微地驅動（足以將低負載量的OTG線路拉到至少2.1V，但不足以將負載量更高的典型線路拉到2.0V）。 A裝置一旦偵測到資料線路脈衝或VBUS脈衝，就會啟動VBUS，開始另一次的通訊階段。當A裝置判斷匯流排上已經沒有資料需要傳輸，就會將VBUS關閉，結束本次的通訊階段。請參閱(圖六)的SRP示意圖。 註：通訊請求協定（SRP） 圖六　SRP示意圖 USB OTG主控端可切斷匯流排的供電，以節約本身的電源。所連接的週邊裝置可使用SRP協定，要求主控端重新啟動匯流排。本圖顯示VBUS的訊號活動以及上拉之後的資料線路（全速及高速裝置位於D＋，低速裝置位於D－）。 (1)A裝置停止資料傳輸，暫停匯流排。 (2)A裝置關閉VBUS以節約電源。 (3)資料線路脈衝：VBUS低於通訊有效閥值以下，而且D＋與D－皆處於低位準2ms之後，B裝置可啟動資料線路的上拉電阻，啟始資料線路脈衝。 (4)B裝置的上拉電阻保持啟動狀態5到10ms之後解除。 (5)VBUS脈衝：B裝置將VBUS稍微驅動，達到能將低負載量OTG匯流排的VBUS提高到2.1V以上，但不足以將負載量更高的典型USB匯流排提高到2.0V的程度。 (6)B裝置完成VBUS脈衝之後，解除VBUS訊號。 (7)A裝置重新啟動VBUS，回應SRP協定。 (8)B裝置偵測到VBUS訊號，重新啟動本身的上拉電阻。 (9)A裝置執行USB重置，開始另一個通訊階段。 (10)匯流排恢復資料傳輸。 驅動程式支援 最後，驅動程式支援也是不可或缺的要項。掌上型裝置和個人電腦主機不同，掌上型裝置要安裝新的驅動程式並不容易，也沒有很多空間可儲存驅動程式。有鑑於此，OTG規格要求所有雙模式裝置都必須要有一個目標週邊清單（Targeted Peripheral List），清單中必須條列該裝置所支援的週邊裝置，內容包含裝置類別、製造廠商與裝置型號。如果某個裝置不在清單之中，則不保證可以搭配使用，也不需要特別支援。 設計考量 OTG規格的目的，在於補充原有的USB核心規格，而非取而代之。個人電腦主機及標準週邊配備完全無須更動。新制訂的OTG功能只是針對具備主控端功能的可攜式裝置，以及預計搭配雙模式裝置使用的週邊配備，其中尤以前者為重。 絕大多數的USB核心規格，均適用於標準USB裝置及OTG裝置。整套USB核心規格長達622頁，相較之下，OTG增訂規格只有74頁，而且其中將近三分之一是技術圖。OTG增訂規格只是提供切換主從角色以及協商通訊階段所需的通訊協定，至於通訊階段開始之後，主控端與週邊裝置的通訊方式，則完全沒有更動。 除此之外，OTG增訂規格還制訂一系列的功能，但OTG相容裝置並不需要將這些功能全數建構。舉例而言，如果一個裝置只擔任週邊角色，則該裝置只需要支援SRP協定，而預設組態的耗電量不超過8mA即可。週邊裝置要添加SRP功能並不費事，只要能執行VBUS脈衝（將一個驅動器透過電阻器連接到VBUS），並將電路邏輯稍微增改，即可建構SRP協定功能。 相較之下，雙模式裝置的設計則難度較高，因為雙模式裝置必須具備下列功能： ●有限的主控端功能 ●當作週邊裝置時，可全速運作（高速模式為選擇性） ●當作主控端時，可全速運作（低速及高速模式為選擇性） ●目標週邊清單 ●通訊請求協定（SRP） ●主控協商協定（HNP） ●只能有單一Mini-AB插槽 ●VBUS最少要能輸出8mA ●要能傳送訊息給使用者 與標準USB週邊配備相較之下，這些功能需要用到類比邏輯（VBUS的驅動與控制功能、VBUS的位準感應邏輯），以及數位邏輯（主控端功能、SRP及HNP協定的支援），還要用到軟體功能（目標週邊清單中各項裝置的驅動程式）以及系統功能（傳送訊息給使用者）。 因此，單純作為週邊的OTG裝置，在設計上只比標準USB週邊裝置稍微困難一點，但是雙模式裝置的設計，則比標準週邊裝置要複雜得多。 由於複雜度高，產品設計的難度與進度自然受到影響，影響的程度主要取決於產品的類型、設計的啟始點（修改現有的設計，或從頭全新設計）、零組件的供貨狀況，以及所採用的設計方法。 要設計這些產品的USB功能，和設計一般的標準USB系統一樣，可以採用下列三種方式之一： ●採用完整的解決方案 ●採用USB微控制器 ●設計一款自訂式IC 當然，所採用的方案愈完整，USB介面設計起來就愈簡單，而也應考量一般產品設計所需考量的系統彈性、成本、適用性、設計時間、所需人力等要素。預料在未來數年內，OTG雙模式裝置的設計難度與風險將會大幅降低。而諸如獨立式收發器（standalone transceiver）、內建OTG功能的微控制器、IP邏輯區塊（IP block）之類的套裝元件，現在也開始紛紛上市。預計未來將有更多功能強大而完整的套裝元件可供使用。除了上述的選擇之外，OTG裝置在設計上還要注意整體系統的考量（例如：必須要能傳送訊息給使用者）。 最後要注意的一點就是測試工作。為了讓使用者有優質的體驗，OTG裝置一定要測試是否完全符合標準規格，以及運作過程是否毫無瑕疵。產品的驗證方面，一定要仔細評估、測試USB標準規格及OTG增訂規格所定義的各項參數。在進行產品驗證時，可先參考OTG相容性規劃書（OTG Compliance Plan）。 結語 OTG增訂規格在經歷完整的產業審核期之後，已於2001年12月18日發表最後完稿，其開發委員會的代表來自產業各個區間，因此這套規格已享有業界的廣大支援，其中包括：接頭製造商、IP廠商、晶片供應商、軟體公司、以及器材製造商。由於OTG具有業界的廣泛支援及參與，因此相關的套裝元件及裝置已經開始陸續上市，未來還有更多即將推出。 由於OTG規格已經發表，因此目前OTG委員會的工作重點在於相關的教育及推廣。該委員會日前已經贊助了多場產業訓練研討會，地點涵蓋美國、亞洲及歐洲，未來這樣的研討活動還將繼續進行。 除此之外，OTG還有幾個地方需要加強，有些輔助規格也正在開發之中。OTG委員會目前正在擬定OTG相容性規劃書（OTG Compliance Plan），其中制訂了OTG裝置的相容性測試，以確保這些裝置能符合規格要求。USB建構論壇（USB-IF）定期贊助的相容性研討會中，已經出現初步的相容性測試。