- 什么是移動 USB？
- 為什么應(yīng)該在便攜式設(shè)備上實施移動 USB？
摘要
當(dāng)我們研究當(dāng)今的一些小型便攜式設(shè)備時，實際上都是指一些小型 PC。一般而言，這些小型便攜式設(shè)備都擁有幾個 GB 的存儲容量，用于存儲豐富的內(nèi)容。它們的功能通過多處理器和協(xié)處理器來實現(xiàn)，且大多數(shù)都擁有多個無線接口。這些小型便攜式設(shè)備同時還具有數(shù)碼照相和攝像功能，且它們中的大多數(shù)都為多媒體播放器——包括音樂和視頻播放。這些小型便攜式設(shè)備使用全功能操作系統(tǒng)，擁有與桌面系統(tǒng)相似的應(yīng)用程序，例如：電子表格、文檔、PDF、電子郵件等等。因此，當(dāng)我們研究這些設(shè)備時，我們不能僅僅把它們當(dāng)作是一個移動電話、MP3播放器或者數(shù)碼相機。正如 PC 已經(jīng)大量地將 USB 作為標(biāo)準接口一樣，這些便攜式設(shè)備也是如此！然而，這些設(shè)備在給定的使用環(huán)境下，標(biāo)準 USB 并不具有它們需要的一切。另一方面，移動 USB (USB-OTG) 是一種通過一個單獨、小插孔實現(xiàn)所有這些使用案例的理想有線接口，它不再需要任何其他有線接口。
什么是移動 USB？
要想了解 USB OTG 是什么，我們首先必須了解標(biāo)準 USB 的一些基本原理。為了了解 USB 的基本原理，我們必需追溯到 USB 1.0 規(guī)范發(fā)布之前的 20 世紀 90 年代早期，看看那個時候的 PC 是什么樣子：
越來越多的用戶想把越來越多的外設(shè)連接到其 PC
各種外設(shè)端口（并行、串行、P/S-2）的選擇開始給用戶帶來諸多問題
另外，連接的多樣化一直困擾著普通用戶。
大多數(shù)用戶都不知道如何選擇端口
他們不知道端口存在的一些限制
2003 年 7 月，USB-OTG 作為 USB 2.0 規(guī)范的補充標(biāo)準發(fā)布，其定義了一類新的設(shè)備。此類設(shè)備旨在擴展外設(shè)產(chǎn)品的功能，以包括有限的主機功能。顧名思義，該規(guī)范的最初目標(biāo)是一些消費類便攜式設(shè)備，即在無法使用計算機時終端用戶可能想要與之共享數(shù)據(jù)的設(shè)備。應(yīng)用實例包括在兩部 PDA 或手機之間共享聯(lián)系人信息，兩部 DSC 或照相手機之間共享照片，或者直接從一部 DSC 或者 PDA 打印。與標(biāo)準 USB 一樣，OTG 也是一種點對點、中央主控制器總線，不應(yīng)作為一種點對點網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)連接到標(biāo)準 USB 主機（例如：一臺 PC）時， OTG 產(chǎn)品必須作為一個標(biāo)準外設(shè)。OTG 補充標(biāo)準主要介紹了某個設(shè)備在主機模式下時其必須如何工作的問題。
正如標(biāo)準 USB 主機端口一樣，必須為 OTG 主機提供電源。然而，所需電源電流被限定在 8mA 以內(nèi)。這不是一個最大值；實際上，不存在一個能夠提供的最大值。然而，由于大多數(shù)可能的 OTG 支持產(chǎn)品都為電池供電，因此在延長電池使用時間和為總線供電 USB 外設(shè)提供充足電力之間始終存在一種平衡關(guān)系。如果 OTG 產(chǎn)品提供大于 8mA 的最小電流，則顯然存在兩種大電源電流選項。一種是 100mA，其為所有低功耗 USB 總線供電外設(shè)規(guī)定的最大電流。它會使 OTG 設(shè)備能夠服務(wù)于大多數(shù)閃存驅(qū)動器，以及許多其他低功耗外設(shè)，例如：鍵盤或鼠標(biāo)等。另一種是選擇 500mA 的標(biāo)準 USB 主機端口。它可以讓 OTG 設(shè)備滿足任何總線供電 USB 外設(shè)的電源需求。
標(biāo)準 USB 主機和 OTG 產(chǎn)品之間的第二個重要差異是 OTG 設(shè)備可能沒有一種為“未識別”設(shè)備添加驅(qū)動的簡單方法。這可能是兩個原因所致。首先，可能沒有一種向 OTG 設(shè)備加載新軟件的方法，特別是在 OTG 端口有連接其“新”外設(shè)的情況下。也就是說，一些 OTG 設(shè)備可能具有無線功能，用以實現(xiàn)為未識別設(shè)備下載驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)連接，其要求一種非常復(fù)雜的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。第二種潛在局限性是 OTG 設(shè)備的內(nèi)存。這些設(shè)備都為操作系統(tǒng)分配了一個固定的存儲容量。由于缺少開放式內(nèi)存，可能無法將其他驅(qū)動程序添加到這一存儲空間中。因此，OTG 設(shè)備必須提供所謂的“目標(biāo)外設(shè)清單 (TPL)”，這就讓設(shè)備廠商可以準確地指定他們支持的外圍設(shè)備。USB 規(guī)范使用所謂的“USB 報頭”信息來識別每一種 USB 設(shè)備。任何設(shè)備的報頭的“前”兩個條都是“廠商識別號 (VID)”和“產(chǎn)品識別號 (PID)”。TPL 是一個 VID 和 PID 列表，可以為 OTG 主機所識別，并且可自動包含驅(qū)動程序來支持它。列表以一個文件結(jié)束，該文件為操作系統(tǒng)的一部分。除這個嵌入設(shè)備中的文件以外，OTG 產(chǎn)品還必須隨一個文本版 TPL 銷售，以供最終用戶參考。
由于可能無法在 OTG 設(shè)備上添加對新設(shè)備的支持，因此要求沒有“無提示”故障。換句話說，如果最終用戶插入某個不支持設(shè)備（不在 TPL 中），一定會提示用戶錯誤消息。首選方法是在 OTG 設(shè)備的 LCD 或屏幕上顯示圖形或者文本消息。如果 OTG 設(shè)備沒有文本/圖形顯示器，則必須提供顯示消息的其他方法。例如，點亮特定 LED，以特定形式讓 LED 閃爍，改變 LED 的顏色等等。無論選擇什么樣的消息系統(tǒng)，都必須將消息通知最終用戶。
[page]
在標(biāo)準 USB 中，主機上的插孔被稱作“A”連接器，而外圍設(shè)備上的插孔被稱作“B” 連接器。由于目標(biāo)終端設(shè)備主要為一些小型移動消費類電子產(chǎn)品，因此標(biāo)準“A”插孔對這些產(chǎn)品來說過大。按照 OTG 規(guī)范的原始版本，這些新型連接器被稱作“迷你”連接器。隨后，對該規(guī)范進行了修改，以強制規(guī)定 OTG 設(shè)備的“微型”連接器。特別是，OTG 設(shè)備必須實施一個微型 AB 插孔。這種 AB 名命表示其為批量安裝在某個單一設(shè)備中的“A”和“B”插孔。該微型 AB 插孔可以插接微型 B 插頭或者微型 A 插頭。問題似乎很清楚：如果您插一個微型 A 插頭，則設(shè)備會為一個主機；如果您插一個微型 B 插頭，則其為一個外圍設(shè)備。但是，基于微型 AB 的產(chǎn)品如何知道插入的是什么呢？OTG 規(guī)范給標(biāo)準 USB 系統(tǒng)的四個觸點又增加了一個觸點，稱作 ID。由于 ID 引腳不在標(biāo)準 USB 連接中，因此規(guī)范保留了這一點，并在 ID 引腳上定義了一個無連接，作為初始外圍設(shè)備。反過來，如果 ID 引腳接地，則設(shè)備扮演初始主機角色，如圖 1 所示。
如上所述，線纜方向決定著連接處兩個 OTG 設(shè)備扮演的設(shè)備角色。主機通信協(xié)議 (HNP) 定義了一種在主機和設(shè)備角色之間動態(tài)切換的方法。為什么要切換角色呢？如果我們查看圖 2，并考慮到每個 OTG 設(shè)備都必須包括一個 TPL，我們便能理解這種要求。左邊的設(shè)備在其 TPL 上有一臺打印機，但其并“不”在打印機的 TPL 上。如果用戶“倒過來”插入線纜（如圖 2 所示），則如果不倒置角色兩個設(shè)備之間的通信便不可能進行。把線纜從兩個設(shè)備取下，然后將線纜端點倒過來再重新連接，便可以實現(xiàn)通信。OTG 規(guī)范內(nèi)置到了協(xié)議中，以自動地應(yīng)對這種情況。HNP 允許靜默和自動角色倒置，從而實現(xiàn)通信。相比強制規(guī)定用戶斷開線纜然后倒置，這樣做提高了最終用戶體驗。正因這樣，需要注意的主機通常為 A 設(shè)備但卻并非始終如此，這一點很重要。
圖 2 主機通信協(xié)議實例
會話請求協(xié)議 (SRP) 實現(xiàn)了根據(jù)“主機”設(shè)備需要開/關(guān)總線電源的方法，以在不需要通信時省電。許多 OTG 目標(biāo)終端設(shè)備均為電池供電設(shè)備。延長電池使用時間對于廠商和最終用戶來說都是最為重要的事情?？紤]到這一點，OTG 連接中的 A 設(shè)備（由線纜方向表示）可以關(guān)閉總線電源，并轉(zhuǎn)入延長電池使用時間的睡眠模式。如果需要，它還允許 B 設(shè)備也進入睡眠模式。然而，最終用戶可能希望再次啟動通信，并在 B 設(shè)備上發(fā)起該請求。SRP 允許 B 設(shè)備請求 A 設(shè)備開啟 VBUS 電源，并發(fā)起一個會話。OTG 會話被定義為 A 設(shè)備持續(xù)提供 VBUS 電源的時間。要喚醒 A 設(shè)備，B 設(shè)備首先向 D+ 線產(chǎn)生脈沖，然后向 VBUS 線脈沖來喚醒 A 設(shè)備。A 設(shè)備探測到該脈沖（A 設(shè)備可以響應(yīng)任何一個脈沖行為），從而使其開啟 VBUS，并開始一個會話。SRP 協(xié)議比這種簡單的例子更加復(fù)雜。它還必須能夠區(qū)分在線纜另一端是一臺普通 PC 還是 OTG 設(shè)備。通過向 VBUS 線提供測定電流量并注意產(chǎn)生的電壓，可以做出相關(guān)決定。請注意，在圖 2 所示實例中，必須提供電源的 A 設(shè)備是打印機，它在會話中實際上為外圍設(shè)備。
為什么應(yīng)該在便攜式設(shè)備上實施移動 USB？
如前所述，USB OTG 規(guī)范已經(jīng)發(fā)布了五年多時間，而采用率卻緩慢滯后。因此，許多人提出如下問題：
OTG 的真正好處是什么？
我的設(shè)備中為什么需要它？
首先，讓我們再來看原始目標(biāo)設(shè)備——便攜式消費類電子產(chǎn)品：手機、PDA、數(shù)碼照相機、MP3 播放器等等。這些設(shè)備中，幾乎 100% 都使用 USB 作為連接當(dāng)今的 PC 和共享數(shù)據(jù)的方法。當(dāng)前所有這些設(shè)備也都擁有其他一些接口——電池充電電源、音頻輸入/輸出、視頻輸出、同非 PC 設(shè)備通信功能等等。然而，隨著體積變得越來越小，去除/減少這種要求外部插孔空間的能力便顯得極其重要。
USB 設(shè)計論壇（USB-IF，USB 行業(yè)協(xié)會）已制訂或正在制定多項措施，旨在滿足這些便攜式設(shè)備的諸多需求，這些需求已經(jīng)超出了原始 USB 規(guī)范的初始能力/范圍。其包括使用 USB 連接電池充電功能、更小型的微型連接器以及手機音頻等三個關(guān)鍵方面。當(dāng)您把這些計劃措施組合起來，并同 USB OTG 規(guī)范結(jié)合后，您便可以僅需一個單獨的小型插孔來滿足便攜式設(shè)備的所有有線連接需求，就可以實現(xiàn)全部這種功能。
[page]
首先，讓我們來看看在電池充電方面正在進行的一些工作。初始 USB 規(guī)范并未將電池充電作為正常使用情形的一部分。然而，通過定義外圍設(shè)備如何使用 5V/500mA 電源，可知設(shè)備不能使用這種電源進行充電沒有任何理由。設(shè)備必須滿足所有標(biāo)準 USB 電源規(guī)范，工作期間絕不能超出 500mA 的電流消耗，未配置時低于 100 mA，并且在 PC 處于待機模式下時低于 500?A。
通過強制規(guī)定在中國銷售的所有新型手持終端都必須使用其 USB 接口充電，中國政府已將其提升到法律層面。通過標(biāo)準 USB 端口連接或者專用 USB 充電器可以滿足這種規(guī)定。USB 充電器是一種連接交流電但在輸出端有一個 USB 插頭的電源。數(shù)據(jù)線保持開路，這樣設(shè)備便不會嘗試通信。很明顯，電池限制并不相同，因為其不再是一個提供電源的 USB 主機。他們已經(jīng)制訂出了一種關(guān)于這些充電器的規(guī)范，這樣充電器便可用于所有手持終端。這樣，每次您購買一種新的設(shè)備時，手持終端廠商便無需再提供一種新的充電器，也就是說任何充電器都可以用于所有的 USB 設(shè)備。另外，USB-IF 有了一些最新的進展，其定義了一種讓電池供電設(shè)備（不管是支持 OTG 還是標(biāo)準外設(shè)）探測連接是標(biāo)準 USB 主機連接還是專用 USB 充電器的方法。這樣做的目的是確保 USB 設(shè)備不受不同廠商開發(fā)的充電器的損害。 關(guān)鍵問題之一是 OTG 產(chǎn)品將如何在其電池耗盡時管理 VBUS 電流輸出。一般而言，在首次連接時，對耗盡電池再充電要求一個大電流尖峰來讓電池達到某個基本閾值，以管理設(shè)備平衡。然而，如果這種充電是通過標(biāo)準 USB 主機連接進行的，則不可能滿足 USB 規(guī)范。因此，終端設(shè)備廠商必須在其電源管理設(shè)計階段處理耗盡電池問題。
如上所述，最初發(fā)布的 OTG 規(guī)范定義了迷你連接器。盡管迷你 B 已經(jīng)成為許多小型外圍設(shè)備的標(biāo)準連接器，但卻發(fā)現(xiàn)這種迷你 AB 不足以滿足這些設(shè)備的所有要求。對許多空間敏感型應(yīng)用來說，它還不夠小。其中，更重要的是這種接口的穩(wěn)健性。人們關(guān)心的是，對于這些便攜式設(shè)備會承受的可能使用次數(shù)而言，插/拔生命周期并不夠長。最終的改進是增加一個鎖閉機制，來防止意外線纜拔取。這種接口可以取代便攜式設(shè)備的所有其他有線接口，從而節(jié)省空間和成本。
重要的新進展是要在 USB-OTG 手持終端和 USB 手持終端之間定義一種標(biāo)準接口的計劃。這是一種新型設(shè)備類型，其將定義一種標(biāo)準接口，允許添加手機支持功能的所有 OTG 型電話/MP3 播放器/視頻播放器，作為播放和麥克風(fēng)輸入的數(shù)字 USB 手持設(shè)備主機。由于該手持設(shè)備將連接一個電池供電設(shè)備，并極有可能會從該設(shè)備接收所有其電源，因此關(guān)注功耗對該手持終端設(shè)備而言至關(guān)重要。它使得此類音頻中心產(chǎn)品的廠商能夠去除其產(chǎn)品的 2.5mm 音頻接口，使用已經(jīng)存在的 USB 接口。
我們在研究當(dāng)今的一些便攜式消費類電子設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)它們實際上都是一些小型 PC，其擁有許多與 PC 相同的特性，包括存儲容量、多處理器、多無線（以及有線）接口、多媒體功能、全功能操作系統(tǒng)和許多類桌面系統(tǒng)應(yīng)用程序。如果 PC 用戶已經(jīng)從 USB 獲得了實際的益處，那么便攜式設(shè)備也可以將這些好處擴展至其用戶便是合理的！
