越來越多的非PC便攜式設備需要扮演USB宿主與USB外設雙重角色,為實現這種應用模式,必須將OTG宿主功能嵌入到這些設備中。要達到這個目標,可將USB宿主或OTG IP嵌入至宿主CPU中,或重新設計系統的PCB,并加入USB OTG芯片功能(USB OTG控制芯片或USB OTG橋接芯片)。

如今的移動運算與通訊設備大都配備USB外設連接功能,可與USB宿主(通常為PC)進行通訊。但根據USB規范,兩個外設無法直接相互通訊,這也意味著目前大多數USB系統必須配合PC才能使用。值得注意的是USB規范并沒有強制性要求使用這種以PC為中心的模式。為突破上述限制,業界制定出USB On the Go(OTG)規范,讓兩個支持OTG規范的系統能直接進行通訊。OTG是USB 2.0行業規范的補充,它使PDA能將文件直接輸出至打印機；MP3隨身聽能互傳文件；可拍照手機能將影像直接送至打印機打??；以及其它眾多以往無法進行的應用模式。

鑒于業界需要擴充現有USB設備及其外設的功能,通過針對與USB外設的連接加入宿主功能,USB OTG規范被設計成可增強現有USB設備和USB外設的功能。這將創造出一個“無縫連接的USB設備環境”,使這種最普及的連接技術達到更理想的境界。

市場趨勢顯示,越來越多的移動設備兼具USB宿主與USB外設功能,也就是所謂扮演雙重角色,以便支持打印與大容量存儲的應用。為實現這些應用模式,必須將OTG宿主功能嵌入到非PC的便攜式設備中。要達到這個目標,可將USB宿主或OTG IP嵌入至宿主CPU中,或重新設計系統的PCB,并加入USB OTG芯片功能(USB OTG控制芯片或USB OTG橋接芯片)。

除了硬件的變更之外,在便攜式USB嵌入式系統中實現USB OTG,還必須考慮軟件與功耗的因素。

單芯片USB OTG控制器方案為嵌入式系統與外設提供了一套簡單即插式點對點連接方案。這種方案使工程師能專注于系統層次的設計,以及與USB芯片廠商合作專注于宿主CPU的USB接口和USB芯片廠商能提供的軟件支持上。

特別有價值的就是USB芯片廠商提供的基于目標操作系統平臺的USB軟件支持。根據以往的經驗,USB軟件支持是最耗時費力的研發工作。

USB或USB OTG的軟件支持相當復雜,并非所有USB芯片廠商有能力支持全套軟件,因為市場上有許多不同的操作系統。不同的移動電話制造商在其手機上使用不同的操作系統,例如Linux、WinCE mobile、VxWorks以及Nucleus等。

要解決支持不同操作系統的難題,其中一種方法就是使用模塊化的技術,例如飛利浦的FlexiUSB堆棧。這種堆棧能提供廣泛的平臺支持,并提供針對各種嵌入式系統的一個類驅動程序的完整庫。該庫能迅速移植到RTOS以及各種尚未被支持的處理器。這種模塊支持全速與高速USB OTG解決方案。在FlexiUSB堆棧中,OTG控制方面的應用編程接口(API)可直接被應用程序層所使用。

以電池供電的便攜式嵌入型USB系統,最重要的考慮因素就是降低功耗。在以PC為中心的環境中,PC扮演宿主的角色,能為USB設備與USB外設供電。在內建宿主或OTG功能的雙重角色USB便攜式設備中,USB設備必須為其USB外設供應8mA的電源。此外,外部電源控制電路的大量功耗問題亦須克服。因此,OTG控制器必須盡可能降低功耗并整合各種關鍵的省電特性。

市場上具備低功耗與各種省電特性的芯片級解決方案,包括飛利浦的全速USB OTG解決方案ISP1362以及高速USB OTG解決方案ISP1761。這兩款USB控制器具有內建的電源管理電路與相關功能,能協助節省和延長電池的壽命。低待機電流以及會話請求協議(SRP)能在USB總線沒有作業時關閉Vbus,從而節省耗電,并能讓設備啟動USB總線的傳輸作業。

在實現一款單芯片USB OTG控制器時,設計者須考慮接口支持:該接口支持必須與目前市場上大多數宿主CPU兼容。例如,ISP1362與ISP1761具備支持DMA的通用CPU接口,能支持大多數ARM、MIPS以及各種RISC處理器。

包括可拍照手機在內的便攜式移動設備,其存儲容量持續增加,USB傳輸的流量亦隨之增長,故需要運用高速USB OTG解決方案來滿足對于高速USB OTG功能的需求。如今在市場上還沒有宿主CPU或基帶芯片組能提供高速USB OTG功能。

在宿主CPU中加入USB宿主或OTG IP,或擴增一組外部USB OTG芯片組,需要大量的設計時間與軟件開發工作,因此系統設計被改變。由于芯片組的USB內核已被改進以便支持USB OTG,因此現有的PCB設計也需要改變。此外,軟件也需針對所有操作系統進行升級。

避免這類繁復工作的一種方法就是部署USB-to-OTG橋接芯片。橋接芯片有望徹底變革USB OTG的設計概念。飛利浦的ISP1261運用該公司的軟件仿真OTG控制器(SEOC)協議,通過這項技術優化現有“單純USB外設型(USB peripheral-only)”解決方案,其方法就是利用嵌入式USB外設控制器的USB DP與DM線路或序列接口引擎(SIE)接口。在采用ISP1261后,就不需要大多數USB OTG控制器中存在的16位并行總線來作為與宿主CPU之間的傳輸接口。這種方案可大幅降低重新設計的工作量,加快最終產品的上市時間,創建出體積更小的PCB。

現有單純USB外設型解決方案能支持ISP1261USB-OTG橋接器實現的最低要求是該解決方案要:支持Control-In 與Control-Out端點；支持64位的Bulk-In與Bulk-Out端點。這些都是市場上大多數USB外設硬件具備的公共特性。

對于具備集成USB收發器的USB外設而言,可選擇DP與DM接口,不然就采用支持USB收發器的SIE接口。這些接口可簡單地連接起來。硬件改變已完成,其余的就是軟件方面的工作。系統軟件需要配合OTG堆棧進行升級,SEOC協議層亦須進行移植,作為現有USB外設硬件與USB軟件之間的接口層。

現有的硬件設計幾乎不需要改變,僅需將ISP1261加入原來的PCB設計中。ISP1261可作為外插件(dongle),因為現有產品的PCB已設計完成,且最終產品必須盡快上市。此dongle可由設備或額外的電池供電。

設備制造商開始看到配備有限宿主或OTG功能的USB設備的真實優勢以及潛在商機。市場上已出現支持宿主/外設功能的雙重角色便攜式娛樂設備,例如MP3隨身聽。在今年年底之前,我們將在市場上看到配備USB宿主或OTG功能的手機產品。

1百萬像素的可拍照手機從USB升級至USB OTG,可直接與打印機相連,也可將數據傳送至大容量存儲設備以及將相片傳送至數碼相機或另一部手機。這些都是USB OTG讓生活更簡便、更有樂趣的實例。

作者:Yeo Hock Meng

USB OTG國際產品行銷部

飛利浦半導體公司