越來(lái)越多的非PC便攜式設(shè)備需要扮演USB宿主與USB外設(shè)雙重角色,為實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用模式,必須將OTG宿主功能嵌入到這些設(shè)備中。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo),可將USB宿主或OTG IP嵌入至宿主CPU中,或重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PCB,并加入U(xiǎn)SB OTG芯片功能(USB OTG控制芯片或USB OTG橋接芯片)。

如今的移動(dòng)運(yùn)算與通訊設(shè)備大都配備USB外設(shè)連接功能,可與USB宿主(通常為PC)進(jìn)行通訊。但根據(jù)USB規(guī)范,兩個(gè)外設(shè)無(wú)法直接相互通訊,這也意味著目前大多數(shù)USB系統(tǒng)必須配合PC才能使用。值得注意的是USB規(guī)范并沒(méi)有強(qiáng)制性要求使用這種以PC為中心的模式。為突破上述限制,業(yè)界制定出USB On the Go(OTG)規(guī)范,讓兩個(gè)支持OTG規(guī)范的系統(tǒng)能直接進(jìn)行通訊。OTG是USB 2.0行業(yè)規(guī)范的補(bǔ)充,它使PDA能將文件直接輸出至打印機(jī)；MP3隨身聽(tīng)能互傳文件；可拍照手機(jī)能將影像直接送至打印機(jī)打印；以及其它眾多以往無(wú)法進(jìn)行的應(yīng)用模式。

鑒于業(yè)界需要擴(kuò)充現(xiàn)有USB設(shè)備及其外設(shè)的功能,通過(guò)針對(duì)與USB外設(shè)的連接加入宿主功能,USB OTG規(guī)范被設(shè)計(jì)成可增強(qiáng)現(xiàn)有USB設(shè)備和USB外設(shè)的功能。這將創(chuàng)造出一個(gè)“無(wú)縫連接的USB設(shè)備環(huán)境”,使這種最普及的連接技術(shù)達(dá)到更理想的境界。

市場(chǎng)趨勢(shì)顯示,越來(lái)越多的移動(dòng)設(shè)備兼具USB宿主與USB外設(shè)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(chǔ)的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用模式,必須將OTG宿主功能嵌入到非PC的便攜式設(shè)備中。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo),可將USB宿主或OTG IP嵌入至宿主CPU中,或重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PCB,并加入U(xiǎn)SB 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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(tǒng)與外設(shè)提供了一套簡(jiǎn)單即插式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方案。這種方案使工程師能專注于系統(tǒng)層次的設(shè)計(jì),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(jià)值的就是USB芯片廠商提供的基于目標(biāo)操作系統(tǒng)平臺(tái)的USB軟件支持。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),USB軟件支持是最耗時(shí)費(fèi)力的研發(fā)工作。

USB或USB OTG的軟件支持相當(dāng)復(fù)雜,并非所有USB芯片廠商有能力支持全套軟件,因?yàn)槭袌?chǎng)上有許多不同的操作系統(tǒng)。不同的移動(dòng)電話制造商在其手機(jī)上使用不同的操作系統(tǒng),例如Linux、WinCE mobile、VxWorks以及Nucleus等。

要解決支持不同操作系統(tǒng)的難題,其中一種方法就是使用模塊化的技術(shù),例如飛利浦的FlexiUSB堆棧。這種堆棧能提供廣泛的平臺(tái)支持,并提供針對(duì)各種嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)類驅(qū)動(dòng)程序的完整庫(kù)。該庫(kù)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(yīng)用編程接口(API)可直接被應(yīng)用程序?qū)铀褂谩?

以電池供電的便攜式嵌入型USB系統(tǒng),最重要的考慮因素就是降低功耗。在以PC為中心的環(huán)境中,PC扮演宿主的角色,能為USB設(shè)備與USB外設(shè)供電。在內(nèi)建宿主或OTG功能的雙重角色USB便攜式設(shè)備中,USB設(shè)備必須為其USB外設(shè)供應(yīng)8mA的電源。此外,外部電源控制電路的大量功耗問(wèn)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(guān)鍵的省電特性。

市場(chǎng)上具備低功耗與各種省電特性的芯片級(jí)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(nèi)建的電源管理電路與相關(guān)功能,能協(xié)助節(jié)省和延長(zhǎng)電池的壽命。低待機(jī)電流以及會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)能在USB總線沒(méi)有作業(yè)時(shí)關(guān)閉Vbus,從而節(jié)省耗電,并能讓設(shè)備啟動(dòng)USB總線的傳輸作業(yè)。

在實(shí)現(xiàn)一款單芯片USB OTG控制器時(shí),設(shè)計(jì)者須考慮接口支持:該接口支持必須與目前市場(chǎng)上大多數(shù)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(shù)ARM、MIPS以及各種RISC處理器。

包括可拍照手機(jī)在內(nèi)的便攜式移動(dòng)設(shè)備,其存儲(chǔ)容量持續(xù)增加,USB傳輸?shù)牧髁恳嚯S之增長(zhǎng),故需要運(yùn)用高速USB OTG解決方案來(lái)滿足對(duì)于高速USB OTG功能的需求。如今在市場(chǎng)上還沒(méi)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U(xiǎn)SB宿主或OTG IP,或擴(kuò)增一組外部USB OTG芯片組,需要大量的設(shè)計(jì)時(shí)間與軟件開(kāi)發(fā)工作,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)被改變。由于芯片組的USB內(nèi)核已被改進(jìn)以便支持USB OTG,因此現(xiàn)有的PCB設(shè)計(jì)也需要改變。此外,軟件也需針對(duì)所有操作系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

避免這類繁復(fù)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(shè)計(jì)概念。飛利浦的ISP1261運(yùn)用該公司的軟件仿真OTG控制器(SEOC)協(xié)議,通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化現(xiàn)有“單純USB外設(shè)型(USB peripheral-only)”解決方案,其方法就是利用嵌入式USB外設(shè)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(shù)USB OTG控制器中存在的16位并行總線來(lái)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(shè)計(jì)的工作量,加快最終產(chǎn)品的上市時(shí)間,創(chuàng)建出體積更小的PCB。

現(xiàn)有單純USB外設(shè)型解決方案能支持ISP1261USB-OTG橋接器實(shí)現(xiàn)的最低要求是該解決方案要:支持Control-In 與Control-Out端點(diǎn)；支持64位的Bulk-In與Bulk-Out端點(diǎn)。這些都是市場(chǎng)上大多數(shù)USB外設(shè)硬件具備的公共特性。

對(duì)于具備集成USB收發(fā)器的USB外設(shè)而言,可選擇DP與DM接口,不然就采用支持USB收發(fā)器的SIE接口。這些接口可簡(jiǎn)單地連接起來(lái)。硬件改變已完成,其余的就是軟件方面的工作。系統(tǒng)軟件需要配合OTG堆棧進(jìn)行升級(jí),SEOC協(xié)議層亦須進(jìn)行移植,作為現(xiàn)有USB外設(shè)硬件與USB軟件之間的接口層。

現(xiàn)有的硬件設(shè)計(jì)幾乎不需要改變,僅需將ISP1261加入原來(lái)的PCB設(shè)計(jì)中。ISP1261可作為外插件(dongle),因?yàn)楝F(xiàn)有產(chǎn)品的PCB已設(shè)計(jì)完成,且最終產(chǎn)品必須盡快上市。此dongle可由設(shè)備或額外的電池供電。

設(shè)備制造商開(kāi)始看到配備有限宿主或OTG功能的USB設(shè)備的真實(shí)優(yōu)勢(shì)以及潛在商機(jī)。市場(chǎng)上已出現(xiàn)支持宿主/外設(shè)功能的雙重角色便攜式娛樂(lè)設(shè)備,例如MP3隨身聽(tīng)。在今年年底之前,我們將在市場(chǎng)上看到配備USB宿主或OTG功能的手機(jī)產(chǎn)品。

1百萬(wàn)像素的可拍照手機(jī)從USB升級(jí)至USB OTG,可直接與打印機(jī)相連,也可將數(shù)據(jù)傳送至大容量存儲(chǔ)設(shè)備以及將相片傳送至數(shù)碼相機(jī)或另一部手機(jī)。這些都是USB OTG讓生活更簡(jiǎn)便、更有樂(lè)趣的實(shí)例。

作者:Yeo Hock Meng

USB OTG國(guó)際產(chǎn)品行銷部

飛利浦半導(dǎo)體公司