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1、利用大多数外设中已有白包SB接口，可以很容易地将USB OTG控制器集成到基 于不同处理器和操作系统盼SIC中。本文对USB双用(dual-role)空制器的设计 进行了讨论，包括JSB主控制器、USB设备控制器，以及集成了OTGHNP、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。同时还讨论了 SRP和HNP的实现。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
2、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 USBUSB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
3、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。USBOTG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
4、造商可以指定他们的 器件支持何种外设。但是， USBOTG 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U
5、SB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
6、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D
7、C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
8、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电压比较器、V上的上拉BUSBUS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 电压比较器包括用于 va_vbus_vld(4.4V) 、va_sess_vld(0.8to2.0V) 、BUSvb_sess_vld(2.0to4.0V)以及 vb_sess_end(BUS，以便支持那些需要大电流的应用，例如机
9、顶盒上的VBUS 电流高达500仇A。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。利用大多数外设中已有邸USB接口，可以很容易地将U
10、SBOTG控制器集成到基于 不同处理器和操作系统IMSIC中。本文对USB双用(dual-role)空制器的设计进 行了讨论，包括USB主控制器、USB设备控制器，以及集成了)TG 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。同时还讨论了SRP 和HNP的实现。SRP/HNP 实现OTG 允许 SRP/HNP 的各种实现，可能包括基于会话、基于插入或者基于混合的 SRP/HNP实现。SRP/HNP的软件实现对不同的应用有最大灵活性。根据经验，在硬件中实现HNP不能改善OTG协议性能。只要注意确定硬件中的关 键时间，用软件实现HNP在灵活性方面具有优势。软件HPN可以
11、总被改变，直到 与所有现有的OTG设备以及即将进入OTG市场的控制器兼容。OTG模块为软件实 现SRP/HNP提供状态和控制寄存器。这些寄存器包括：OTG状态寄存器、OTG控 制寄存器、OTG中断寄存器和OTG定时器。在软件实现中，中断延迟会使HNP状态转换产生问题，该状态转换响应时间需要 小于5ms。由于这个原因，建议使用硬件实现这些状态转换。自动连接在OTG HNP的状态图中，当A设备处于A_SUSPEND状态时，必须在检测到B设备 是断开之后的3ms内启动D+线上的上拉电阻。如果在硬件中实现自动连接，且 当A设备进入A_SUSPEND状态时启动自动连接，于是A设备将通过检测断开状态 而自
12、动启动D+线上的上拉电阻。OE TP INT H 十 OAT VP SEO谢自动复位在 OTG HNP 状态图中，当 B 设备处于 B_WAIT_ACON 状态时，必须在检测到 A 设备 是连接的之后1ms内发送总线复位信号。女口果在硬件中实现自动复位，并当B 设备进入B_WAIT_ACON状态时启动自动复位，那么B设备将会通过检测连接状态 而自动发送总线复位。总线恢复在 USB2.0 规范中，下行或上行设备可能会将任何空闲信号当作来自上行或下行 设备的恢复信号。在OTG规范中，如果双用B设备处于B_WAIT_ACON状态，或者 A设备处于A_SUSPEND状态（且B设备使能为HNP），那么只
13、有总线从J到省电和唤醒对于电池供电的OTG设备，如果该设备不在会话期时，则OTG控制器被置于省电 模式。这样做会极大地减少电源功耗（通常，拉电流小于50uA）。在这种模式中, DC和HC均处于挂起状态。锁相环（PLL）、晶振以及充电泵被关闭。为在必须响 应一个OTG事件的时候支持OTG设备，当芯片处于省电模式时，它仍保持低速或 缓慢的运行。在省电模式下，时钟以非常低的速度运行，功率消耗也很小，以便 于设计满足ACPI、OnNow以及USB电源管理要求的外设。在检测到一个OTG事件 的同时该芯片被唤醒（也就是说，启动PLL和晶振）。时钟建立后，如果启动相应 的中断，则会有中断产生。OTG控制器也
14、支持软件唤醒。如果没有检测到OTG事 件，但正运行在OTG设备上应用想使用USB总线，软件也可以唤醒OTG控制器并 开始会话。支持集线器双用设备可支持集线器，但标准的USB集线器不支持用于SRP和HNP的信令模式。 因此，当A设备直接连接到标准集线器时，启动下行设备以准备或初始化HNP 的命令对A设备来说是禁止的。因此，当外设连接到集线器的下行设备时，该外 设不能再充当主机。OTG 收发器OTG收发器是物理层设备，是ORG控制器内核与USB总线的接口。除了标准USB 收发器的功能，OTG收发器为SRP/HNP提供模拟部件，包括5V充电泵、电压电 平比较器、上拉/下拉电阻以及ID检测器。市面上流
15、行两类OTG收发器：一种是 支持USB低速和全速的全速OTG收发器，另外一种收发器增加了对高速USB的支 持。两种类型的收发器在市场上并存，是因为高速USB的功耗更大且需要更大的 芯片封装。两种收发器都具有由主要USB供应商组成的工业联盟所制定的标准接 口。对于不需要480Mbps高速数据率的应用中，全速OTG收发器是更为经济的选 择。事实上，工业标准的USB OTG收发器ISP1301业界的第一个USB OTG收发器，它 已被设计到手机及基带通信的主要制造商的参考设计中。它支持mini-USB模拟 车载工具包标准，而且在D+/D-有透明的I2C/UART模式（图2）。作者：Alan Chang Shaun Reemeyer Zhong Wei Wang 飞利浦半导体
