便携设备如何相互沟通

　　随着便携设备的功能和数据容量的提升，使用者也开始希望其能与其他便携式与非便携设备共享信息，但是掌上型设备的数据输入及显示较为不易。因为体积小，便携设备通常没有实用的接口，只有一个小屏幕和有限的按键。

　　便携设备存在的另一个问题是“需要传输的数据量”。以一台数码相机为例，其存储容量可高达数百兆。此外，数据传输的方式也有很多，手机用户可能会想将手机连接到PC，下载原先储存的信息;有时需要和其他手机联机，互传电话号码;或者需要和数码相机联机，上传所拍摄的照片;当然有时还必须连接到PDA并使用其无线网络功能。

　　无奈手机等便携设备体积太小，没有空间为各种连机类型提供专属的接头，而且便携设备的市场对成本相当敏感，想要提供这么多的接头，会导致成本过高。由此看来，我们需要一种便宜、普及、使用容易、传输速率高的联机方式，使各种不同的电子设备能够彼此通信并传输数据。　　

　　标准的USB连机需要一个主端(host)，这个主端通常是PC。如果想把储存在某个外围设备的数据传输到另一个外围设备，唯一的方法是通过主端来中介传输，如图1所示。例如，想要将数码相机的照片打印出来，必须先将照片上传到主端，再从主端传送到打印机。为什么不在便携设备里加入主端功能呢?

　　USB是一种主从架构的通信协议，原先是给一个主端搭配多个外围设备的应用方式设计的，因此USB连机的操控管理，多半是仰赖主端。如果要将整套USB规格的主端控管逻辑全部建构在一个便携设备中，对于着重功能简便的便携设备而言，会造成很大的负担。而且USB传输线具有方向性，插入主端的接头和插入外围设备的接头并不相同。

　　以便携设备而言，有时候必须担任主端的角色，例如，数码相机传送照片给打印机;而有时候则必须担任外围设备的角色，例如，数码相机将照片上传至PC，如图2所示。虽然USB的专用接头体积不大，但如果要建构于小巧的便携设备之中，可能还是过于庞大。USB架构认定主端具备充足的电源，可为联机的外围设备提供电力，有些设备甚至全部的电力都是来自USB总线的。这样的供电架构，对于一些电力有限的小型便携设备而言，会造成难以承受的负担。USB OTG补充规格中最重要的改变就是扩充了原先的USB协议，提供更严谨的电源管理功能，并允许电子设备担任主端角色或外围角色。

图2 USB OTG的连接架构

　　双重角色设备

　　“双重角色设备(Dual-Role Device)”既可担任主端角色、亦可担任外围的电子设备角色。除了要符合USB 2.0标准的所有要求之外，“双重角色设备”还必须提供有限的主端功能，并支持“事务请求协议(SRP)”以及“主端协商协议(HNP)”，而且应具备单一Mini-AB插槽。此外，这种设备必须能传送信息给使用者。当“双重角色设备”处于主端模式运作时，VBUS只需要供应8mA的电流，这个规格有别于标准USB主端的100mA或500mA要求。

　　主端协商协议

　　当“双重角色设备”连接了一个Mini-A或Mini-B插头时，它相应的便以OTG主机或外设的默认方式工作。A设备为默认主端，所以由它提供VBUS电源，且在检测到有设备接入时复位总线、列举并配置B设备。

　　A设备在完成对B设备的使用后，可以通过查询B设备的OTG性能描述符来判断是否支持HNP(即是否为“双重角色设备”)。如支持HNP，B设备将返回有效的OTG性能描述符，A设备则产生一个Set_feature命令(即HNP_Enable)来通知B设备可以在总线挂起的时候以主端方式工作，随后A设备挂起总线。

　　B设备通过上拉电阻(全速时)或者下拉电阻(高速时)拉低D+(数据线上拉电阻)以示连接断开。随后，作为对B设备断开的响应，A设备使能它的数据线并开始以从端方式工作。完成这些转换后，B设备和A设备便各自以主机角色和外设角色使用总线。如果该B设备属于“双重角色设备”且A设备不再使用它了，A设备便重发Set_feature命令并挂起总线。若B设备申请角色转换时出错，A设备则拉低VBUS以结束该事务。当B设备正常结束传输事务时便挂起VBUS使能其上拉电阻，重新以从端方式运行。A设备检测到总线挂起后，发出一个连接断开信号并重新以主机方式工作。

　　事务请求协议

　　在以往的USB系统运行过程中,主机提供5V的电源和不低于100mA的总线电流。当OTG主机(指以主机方式工作的两用OTG设备,又称A设备)连接到有线电源时这种方法是适用的，但像手机这样的自供电移动设备则不能承受如此大的电能浪费。为了节约电源延长电池的使用寿命,当总线上没有活动时，OTG主机将挂起总线电源VBUS。SRP可使OTG从端(指外设式设备或者以外设方式工作的“双重角色设备”，又称B设备)请求设备重新使能VBUS，而后A设备使用HNP交换两个设备的工作方式，这两步完成后由新的OTG主机开始事务传输。B设备可在前一事务结束2ms后的任意时间开始SRP。

　　B设备将先后执行数据线脉冲调制和VBUS脉冲调制，分别通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和驱动VBUS实现。VBUS必须要有足够长的时间对其电容充电,这个时间应能保证不大于13μF的电容充电至2.1V(OTG设备的电容是6.5μF或更小),从而不会对标准主机的96μF或更大的电容充电至2.0V。该限制保证了从B设备引来的VBUS电流不会破坏标准主机的端口。

　　A设备检测到数据线脉冲调制或者VBUS脉冲调制后，首先复位总线,然后发送Set_feature命令而先不进行设备的枚举,此时B设备尚处在默认的从端状态。如果Set_feature命令成功执行,说明B设备为两用OTG设备,A设备(使用HNP协议)挂起VBUS准备让B设备交换为主机方式接管总线。如果Set_feature命令执行失败，说明B设备为外设式OTG设备，于是A设备使能VBUS准备开始一个传输事务(此时，A设备只是被唤醒，并未改变工作方式)。当A设备认为总线上没有传输需要时，挂起VBUS以结束该事务。这种A设备自动检测B设备是否支持HNP的特征称为“No Silent Failure”。

　　USB得以成功的其中一项秘诀在于完善的认证测试程序。这道程序能检测设备是否符合规范且能否与其他USB设备共同运作，唯有通过认证测试的设备才能贴上USB的认可标签。目前，认证测试有两种途径，可通过USB Compliance Workshop(Plugfests)或个别的测试实验室进行测试。以上两种方式都能将通过检测的设备列入符合规范USB设备的整合厂商名单中。

　　USB OTG 评估板测试

　　1 USB EHCI 主端控制器测试

　　每个设备应该能响应USB规范所定义的控制请求。主端应该能利用主端控制器经USB缆线送出控制需求到USB设备。

图3 EHCI 主端控制器测试架构

　　测试方法如下：USB测试Class驱动呼叫由USB IP核提供更高层的API，经USB子系统送出需求到USB设备。接着, 主端经控制端点(Endpoint)接受控制IN/OUT，然后解析/获得回应数据/状况用以核对其正确性。此外, 每个USB设备应该包含几个必需的描述符并依靠所接受的Get_Descriptor需求的内容来回应这些描述符。图3中PC安装Windows 2000或是Windows XP，利用ARM ADS1.2的AxD调试器，FA5 CPU的ICE一端连接PC的打印机口或是USB口，另一端连接开发板，开发板的另一端则是各种USB设备，如USB集线器、摄像头、鼠标、键盘和U盘。

图4 互测SNP和HNP的连接架构

　　2 OTG 测试

　　利用两台USB OTG开发板互测SNP和HNP的连接架构如图4所示。

图5 大量存储的应用测试

　　应用测试

　　如图5所示，设计一个SD卡主端应用来做演示, SD卡的大量存储用以测试FOTG200功能。FOTG200是智原的USB 2.0 OTG控制器, 能作为一个双重角色。作为主设备，它包含一个USB主端制器，能支援所有速度的事务。无须软件干涉的情形下，主端制器能处理一个基于事务的数据结构以减去主控CPU的负担，自动地在USB总线上转送和接收数据。作为从设备，每个端点，除了端点0，都承担可编程的HS/FS传输类型提供弹性以适应各式各样的应用。

　　在这个应用上, USB子系统由USB IP核、EHCI HCD控制器、USB大量存储Class驱动、文件系统和SD卡设备驱动所组成。因此,主端设备能够读/写文档到SD卡(外部设备)。顺便也能验证大量存储Class驱动和Bulk IN/OUT传输的功能。