USB On-The-Go 工作原理分析和应用研究

　　1994年，Intel，Compaq等七家软硬件全球知名企业为了突破当时PC使用串口和并口传输速度的限制，成立了通用串行总线开发者论坛（USB Implementers Forum, USB IF），并在1994年11月提出了USB 0.7版，到了1998年开始出现了支持USB 1.1的设备，他的高速性（USB1.1支持1.5 Mb/s和12 Mb/s两种速度［1］）和易用性迅速使之成为P C外设的宠儿。为了对抗1394速度的优势（1394可以达到400 Mb/s），1999年提出了US B 2.0规范的思想，2000年4月USB IF推出USB 2.0。USB 2.0向下兼容1.1，提供3种速度 ，最高可以达到480 Mb/s［2］。
　　USB 1.1和2.0都是必须依赖于PC的，为了在一定程度摆脱对PC的完全依赖，有一定程度的主机功能，2001年12月推出了OTG 1.0，经过6次修改，于2003年6月推出了USB OTG 1.0 a，正式成为一个达到市场实用的规范［3］。
　　本文中分析讨论了USB 2.0补充规范OTG的工作原理，并且针对目前数码相机伴侣存在的问题，作者提出了自己的解决方案。

1USB OTG的工作原理
　　OTG补充规范对USB 2.0的最重要的扩展是其更具节能性的电源管理和允许设备以主机和外设两种形式工作。OTG有两种设备类型:两用OTG设备(Dualrole device)和外设式OTG设备(Peripheralonly OTG device) 。两用OTG设备完全符合USB 2.0规范,同时,他还要提供有限的主机能力和一个MiniAB插座、支持主机流通协议(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外设式OTG设备一样支持事务请求协议(Session Request Protocol, SRP)。当作为主机工作时,两用OTG设备可在总线上提供8 mA的电流,而以往标准主机则需要 提供100～500 mA的电流。
　　2个两用OTG设备连接在一起时可交替以主机和从机的方式工作,这个特点兼容了现有USB 规范主机/外设的结构模型。OTG主机负责初始化数据通信的任务,比如:总线复位、获取USB 各种描述符和配置设备。这些配置完成后,2个OTG设备便可以分别以主机和从机方式传输信息,2个设备主从角色交换的过程由主机传输协议(HNP)定义。
　　下面从5个方面说明OTG的工作原理。
1.1主机（Adevice）和从机（Bdevice）的初始功能
　　设备的初始功能是通过定义连接器来实现的。OTG定义了一个叫做MiniAB的袖珍插孔，他能直接接入MiniA或者MiniB插口，MiniAB有一个ID引脚 上拉至电源端，MiniA插头有一个与地连接好的ID（R10 Ω），Mini B插头有一个与地连接的开路ID引脚(R>100 kΩ)。当2个OTG设备连接到一起的时候，MiniA插头边的ID引脚会注入一个“0”状态，MiniB插头边的ID引脚为 “1”，ID为0的OTG设备默认为主机（Adevice），ID为1的OTG设备默认为从机（B device）。图1对上述内容进行了图解［4］。

1.2对话请求协议SRP(Session Request Protocol)
　　这个协议允许Adevice(可以是电池供电)在总线未使用时通过切断Vbus来节省电源消耗，也为Bdevice启动总线活动提供了一种方法。任何一个Adevice, 包括PC或便携式电脑，都可以响应SRP；任何一个Bdevice,包括一个标准USB外设， 都可以启动SRP；要求一个双重功能设备既能启动SRP，又能响应SRP。
1.3主机流通协议HNP(Host Negotiation Protocol)
　　HNP是一种用来实现Adevice和Bdevice主机/从机转换的协议（实际上是电缆的反转）。主/从机功能交换的结果表现在下列过程中：
　　(1)利用上拉电阻来发送信号给从机。
　　(2)Adevice可在Bdevice上设置“HNP Enable”特性。
　　(3)Bdevice断开上拉。
　　(4)ADevice与上拉电阻相连，表明Adevice从属于从机。
　　(5)Adevice给Vbus供电。
　　(6)Bdevice检测Adevice的上拉。
　　(7)复位/列举/使用Adevice。
1.4驱动程序［5］
　　与PC主机不同，便携式设备没有便捷的方式和足够的空间装载新的驱动程序。因此，OTG 规范要求每个两用OTG设备有一个支持的外设式OTG目标设备的列表，列表中包括设备的类型和制造商等信息。
　　与PC机不同，OTG两用设备的驱动程序栈由USB主机栈和USB设备栈构成以满足两种工作方式的需要。OTG驱动程序通过连接器的不同或者是否有NHP交换设备的工作方式来决定使用USB主机栈还是USB设备栈。
　　当OTG两用设备以主机方式工作时，USB主机栈工作。其中的主机控制器驱动程序负责USB 主机栈与硬件端点的数据交换，USB驱动程序枚举并保存设备的信息，目标外设主机类驱动程序支持目标设备列表里的设备。主机类驱动程序由芯片制造商提供，同时，OTG提供通用的主机类驱动程序（可以修改以用于非通用设备）。
　　当OTG两用设备以从机方式工作时，USB设备栈工作。其中的设备控制器驱动程序负责USB 设备栈与硬件端点的数据交换，USB协议层负责处理USB协议规范，设备类驱动程序的功能取决于该两用设备的功能（如数码照相机、存储设备、打印机等）。
　　OTG驱动程序负责处理两用OTG设备的工作方式转换，同时，他还可以返回其结果（如设备是否支持HNP）并处理总线错误。应用层程序通过OTG驱动程序开始或者结束一个传输事务， 通过USB主机栈或设备栈与硬件层交换数据。
1.5数据流模型
　　OTG主机和设备被划分为功能层、USB设备层和USB接口层3个不同层次，如图2所示［5 ］。