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2015-08-28 20:08:24

原文地址:USB otg 学习笔记 作者:2909157

1 USB 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100500 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,2OTG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 IDR<10 Ω),Mini B插头有一个与地连接的开路ID引脚(R>100 kΩ)。当2OTG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"ID0OTG设备默认为主机 (Adevice),ID1OTG设备默认为从机(B device)。



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

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-device)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VBUSSRP协议可使OTG从机(指外设式设备或者以外设方 式工作的两用设备,又称B-device,此处指后者)请求A-device重新使能VBUS,而后A-device使用HNP协议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-device可在前一事务结束2ms后的任意时间开始SRP,SRP的时序波形见图形1

B-device将先后执行数据线脉冲调制(data-line pul-sing)VBUS脉冲调制(VBUS pulsing) 。它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-)510ms实现前者,后者通过驱动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或更高的电容充 电至2.0V。该限制保证了从B-device引来的VBUS电流不会破坏标准主机的端口。

A-device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-device尚处在默认的从机状态。如果Set_feature命令成功执行,说明B- device为两用OTG设备,A-device(使用HNP协议)挂起VBUS准备让B-device交换为主机方式接管总线。如果 Set_feature命令执行失败,说明B-device为外设式OTG设备,于是A-device使能VBUS准备开始一个传输事务(此时,A- device只是被唤醒,并未改变工作方式)。当A-device认为总线上没有传输需要时,挂起VBUS以结束该事务。这种A-device自动检测 B-device是否支持HNP协议的特征称为"No Silent Failure"



1.3 主机流通协议HNP(Host Negotiation Protocol)

当两用设备连接了一个Mini-A插头或者Mini-B插头时,它相应的便以OTG主机或者OTG外设的默认方式工作。A-device为默认主机,所以由它提供VBUS电源,且在检测到有设备接入时复位总线、枚举并配置B-device

A-device在完成对B-device的使用后,可以通过查询B-deviceOTG性能描述符来判断是否支持HNP协议(即是否为两用OTG设备)。如支持HNPB-device将返回有效的OTG性能描述符,A-device 则产生一个Set_feature命令(即HNP_Enable)来通知B-device可以在总线挂起的时候以主机方式工作,随后A-device挂起总线。

B-device通过上拉电阻(全速时)或者下拉电阻(高速时)拉低D+以示连接断开。随 后,作为对B-device断开的响应,A-device使能它的数据线并开始以从机方式工作。完成这些转换后,B-deviceA-device便各自以主机角色和外设角色使用总线。如果该B-device属于两用OTG设备且A-device不再使用它了,A-device便重发 Set_feature命令并挂起总线。若B-device申请角色转换时出错,A-device则拉低VBUS以结束该事务。当B-device正常结 束传输事务时便挂起VBUS使能其上拉电阻,重新以从机方式运行。A-device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。

当两用设备连接了一个Mini-A插头或者Mini-B插头时,它相应的便以OTG主机或者OTG外设的默认方式工作。A-device为默认主机,所以由它提供VBUS电源,且在检测到有设备接入时复位总线、八举并配置B-device

A-device在完成对B-device的使用后,可以通过查询B-deviceOTG 性能描述符来判断是否支持HNP协议(即是否为两用OTG设备)。如支持HNP,B-device将返回有效的OTG性能描述符,A-device则产生 一个Set_feature命令(即HNP_Enable)来通知B-device可以在总线挂起的时候以主机方式工作,随后A-device挂起总线。 HNP的时序波形见图2

B-device通过上拉电阻(全速时)或者下拉电阻(高速时)拉低D+以示连接断开。随 后,作为对B-device断开的响应,A-device使能它的数据线并开始以从机方式工作。完成这些转换后,B-deviceA-device便各 自以主机角色和外设角色使用总线。如果该B-device属于两用OTG设备且A-device不再使用它了,A-device便重发 Set_feature命令并挂起总线。若B-device申请角色转换时出错,A-device则拉低VBUS以结束该事务。当B-device正常结 束传输事务时便挂起VBUS使能其上拉电阻,重新以从机方式运行。A-device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。

HNP是一种用来实现AdeviceBdevice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)AdeviceVbus供电。

(6)Bdevice检测Adevice的上拉。

(7)复位/列举/使用Adevice



OTG描述符

在枚举阶段,OTG A-device将会从B-device请求OTG配置描述符。此三字节描述符由三部分组成:bLength, bDescriptorType, bmAttributes,位定义如下图所示。

srp_support

如果设备支持SRP,则这一位设置为TRUE

hnp_support

如果设备支持HNP,则这位设置为TRUE

Set Feature Commands

A-device会使用SetFeature 命令使能B-device的特点行为,或表明A-deviceB-device的特定能力。

b_hnp_enable

设置此特性表明B-device已经能够执行HNP

此特性仅在总线复位或会话结束时清除,不能通过ClearFeature(b_hnp_enable) 命令清除。

a_hnp_support

设置此特性表明B-device连接的A-device端口支持HNPA-device会在会话开始,任意B-device配置被选择之前设置此特性。

a_alt_hnp_support

设置此特性表明B-device连接的A-device端口没有HNP功能,但是此A-device 有备用的端口具备HNP功能。此特性仅在总线复位或会话结束时清除,不能通过ClearFeature(b_hnp_enable) 命令清除。



2 连接器和电缆

2.1 连接器

USB IFOTG中定义了更小的连接器,可以同时用于主机式和外设式的设备、具有更低的电源需求、扩展的电源保护模式和利于上层软件开发的简洁设计。

OTG和现有的USB2.0规范完全兼容,一个主要的机械上改进是它的新式连接器。USB 2.0定义了三种连接器对(插头和插座):Standard-AStandard-BMini-BMini-B连接器是专为较小的外设(如移动电话 等)开发的。OTG规范增加了第四种插头:Mini-A,两种插座:Mini-AMini-AB。这些连接器比最初的USB连接器要小许多 (如:Mini-A插头截面积只有Standard-A插头的38%,更适合于便携式设备。

Mini-AB插座用于两用设备。Mini-A新增的ID脚(以前的USB插头不含此脚)在连接Mini-AB时接地短路,Mini-B则使该脚断开,这样两用设备便可识别连接设备的类型以决定设备的默认角色。

Mini-AMini-B插头是严格配对适用的,如:不能将Mini-A插头和Mini- B插座配合使用。但是,Mini-AB插座适合于以上两种插头。在外形上,Mini-A更新近于椭圆形,Mini-B更接近于正方形。另外,他们的插头 和插座内部的塑料都有颜色:Mini-A为白色,Mini-B为黑色,Mini-AB为灰色。

2.2 电缆

USB 2.0规范定义了两种电缆:Standard-AStandard-BStandard-AMini-BOTG新增了两种电缆:Mini-AStandard-BMini-AMini-BMini-A-to-Mini-B电缆的延迟被减少到可以在“A端”使用适配器,如:用 Standard-A插头连接OTG两用设备需要一个Standard-A插座至Mini-A插头的适配器,而且Mini-A插头连接Standard- A插座时需要一个Mini-A插座至Standard-A插头的适配器。

3 USB On-The-Go设备类型

OTG有两种设备:两用OTG设备和外设式OTG设备。两用OTG设备可以作为USB外设或 者USB OTG主机,并且可为总线提供8mA电流。而外设式OTG设备不具备主机性能,它必须在向两用设备(主机)的请求获准后才能通信。两用OTG设备必须能以 全速方式运行,而高速运行的方式是可选的。外设型OTG设备可以设计在高速、全速和低速中的任意一种方式下工作。

3.1 两用OTG设备(dual-role device

两用OTG设备都有一个Mini-AB插槽,所以一个Mini-AMini-B电缆可以直接将两个两用OTG设备连接在一起,而此时用户不会觉察到两个设备的不同,也不知道它们的默认主从配置。

A-device(主机)必须在事务传输过程中提供总线电源,这是A-deviceB- device的主要不同,同时也说明了两个设备的连接的非对等关系。A-device负责为总线供电因此它控制通信发生的时机,B-device只有通过 SRP协议向“主机”请求传输。

设计一个两用设备是比较困难的,因为它要具备:有限的主机能力、可作为一个全速的外设(可选的高速方式)、OTG目标设备的列表、目标设备的驱动程序、支持SRP、支持HNP、一个Mini-AB插座、VBUS上不小于8mA的电流输出、与用户通信的方式。

3.2 外设式OTG设备(Peripheral-only OTG device

外设式OTG设备是普通的USB外设。它有一个OTG功能描述符说明其支持事务请求协议SRP而且它不是两用OTG设备。此外,外设式OTG设备只能配置Mini-B型插座或者必须有一个带Mini-A插头的附属电缆,而不能使用Mini-AB型插座。

SRPB-device(此处指外设式设备)向A-device请求传输事务时必须使用的 协议。它由前面提到的数据线脉冲调制和VBUS脉冲调制(B-device产生)两种方法构成。A-device必须能检测这两种方法之一的信号,并开始 一个相应的传输事务。除了固件(firmware)略有增加外,B-device同时可产生两种信号的成本并没有增加成本,而且还使实现A-device 更加简单(只需根据实际情况提供其中一种方式的检测)。

一个OTG设备不必实现OTG的所有性能。例如,一个外设式OTG设备可能只需支持SRP和一个小于等于8mA的默认电流消耗配置。其实,添加对SRP支持也较简单:在VBUS上接一个驱动电阻并增加一些简单的逻辑,从而产生VBUS脉冲调制信号。

另外,无论是两用OTG设备还是外设式OTG设备,都可以和通用的许机相连,只不过两用OTG设备具有一定的主机能力(可以驱动特定的一组OTG设备工作)。



1.4 驱动程序

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。

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。

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)。

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,

USB接口层为OTG主机和OTG设备提供物理连接;

USB 系统软件使用主机控制器来管理主机与USB设备的数据传输。USB系统软件相对于主机控制器而言,处理的是以客户角度观察的数据传输及客户与设备的交 互。

USB设备层为USB主机系统软件提供一个可用的逻辑设备。主机通过与之功能匹配的客户软件实现其各种功能。

OTG设备与以往的USB设备一样有两种通道:数据流通道和消息通道。数据流通道没有定义好的结果,而消息通道则有固定的结构。但是,每个通道都有一定的带宽、传输类型、传输方向和缓冲区大小。自供电设备配置一个默认的控制通道,由他提供该设备的配置和状态等信息。

USB OTG规范是USB2.0规范的补充而不是替代品。PC主机和标准外设并没有被取代,因为新的OTG仅适用于需要具有主机功能和更小体积的便携式设备。 OTG在这些外设间引入了点对点的(point-to-point)通信方式,这使得便携式仪器的发展有了更加广阔的空间。USB OTG已受到Cypress等芯片供应商、软件开发商和设备制造商的广泛支持,OTG不久将会成为新一代的“移动计算”解决方案。


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