- 什么是移動(dòng) USB？
- 為什么應(yīng)該在便攜式設(shè)備上實(shí)施移動(dòng) USB？
摘要
當(dāng)我們研究當(dāng)今的一些小型便攜式設(shè)備時(shí)，實(shí)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(gè) GB 的存儲(chǔ)容量，用于存儲(chǔ)豐富的內(nèi)容。它們的功能通過(guò)多處理器和協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，且大多數(shù)都擁有多個(gè)無(wú)線接口。這些小型便攜式設(shè)備同時(shí)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(lè)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(shí)，我們不能僅僅把它們當(dāng)作是一個(gè)移動(dòng)電話、MP3播放器或者數(shù)碼相機(jī)。正如 PC 已經(jīng)大量地將 USB 作為標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn) USB 并不具有它們需要的一切。另一方面，移動(dòng) USB (USB-OTG) 是一種通過(guò)一個(gè)單獨(dú)、小插孔實(shí)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(dòng) USB？
要想了解 USB OTG 是什么，我們首先必須了解標(biāo)準(zhǔn) 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(jì) 90 年代早期，看看那個(gè)時(shí)候的 PC 是什么樣子：
越來(lái)越多的用戶想把越來(lái)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(kāi)始給用戶帶來(lái)諸多問(wèn)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(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，其定義了一類新的設(shè)備。此類設(shè)備旨在擴(kuò)展外設(shè)產(chǎn)品的功能，以包括有限的主機(jī)功能。顧名思義，該規(guī)范的最初目標(biāo)是一些消費(fèi)類便攜式設(shè)備，即在無(wú)法使用計(jì)算機(jī)時(shí)終端用戶可能想要與之共享數(shù)據(jù)的設(shè)備。應(yīng)用實(shí)例包括在兩部 PDA 或手機(jī)之間共享聯(lián)系人信息，兩部 DSC 或照相手機(jī)之間共享照片，或者直接從一部 DSC 或者 PDA 打印。與標(biāo)準(zhǔn) USB 一樣，OTG 也是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、中央主控制器總線，不應(yīng)作為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)連接到標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)（例如：一臺(tái) PC）時(shí)， OTG 產(chǎn)品必須作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。OTG 補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)主要介紹了某個(gè)設(shè)備在主機(jī)模式下時(shí)其必須如何工作的問(wèn)題。
正如標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)端口一樣，必須為 OTG 主機(jī)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(gè)最大值；實(shí)際上，不存在一個(gè)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(zhǎng)電池使用時(shí)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(xiàng)。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(huì)使 OTG 設(shè)備能夠服務(wù)于大多數(shù)閃存驅(qū)動(dòng)器，以及許多其他低功耗外設(shè)，例如：鍵盤(pán)或鼠標(biāo)等。另一種是選擇 500mA 的標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)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(zhǔn) USB 主機(jī)和 OTG 產(chǎn)品之間的第二個(gè)重要差異是 OTG 設(shè)備可能沒(méi)有一種為“未識(shí)別”設(shè)備添加驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單方法。這可能是兩個(gè)原因所致。首先，可能沒(méi)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(shuō)，一些 OTG 設(shè)備可能具有無(wú)線功能，用以實(shí)現(xiàn)為未識(shí)別設(shè)備下載驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)連接，其要求一種非常復(fù)雜的操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(gè)固定的存儲(chǔ)容量。由于缺少開(kāi)放式內(nèi)存，可能無(wú)法將其他驅(qū)動(dòng)程序添加到這一存儲(chǔ)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(zhǔn)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(bào)頭”信息來(lái)識(shí)別每一種 USB 設(shè)備。任何設(shè)備的報(bào)頭的“前”兩個(gè)條都是“廠商識(shí)別號(hào) (VID)”和“產(chǎn)品識(shí)別號(hào) (PID)”。TPL 是一個(gè) VID 和 PID 列表，可以為 OTG 主機(jī)所識(shí)別，并且可自動(dòng)包含驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持它。列表以一個(gè)文件結(jié)束，該文件為操作系統(tǒng)的一部分。除這個(gè)嵌入設(shè)備中的文件以外，OTG 產(chǎn)品還必須隨一個(gè)文本版 TPL 銷(xiāo)售，以供最終用戶參考。
由于可能無(wú)法在 OTG 設(shè)備上添加對(duì)新設(shè)備的支持，因此要求沒(méi)有“無(wú)提示”故障。換句話說(shuō)，如果最終用戶插入某個(gè)不支持設(shè)備（不在 TPL 中），一定會(huì)提示用戶錯(cuò)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(méi)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(diǎn)亮特定 LED，以特定形式讓 LED 閃爍，改變 LED 的顏色等等。無(wú)論選擇什么樣的消息系統(tǒng)，都必須將消息通知最終用戶。
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在標(biāo)準(zhǔn) USB 中，主機(jī)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(dòng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品，因此標(biāo)準(zhǔn)“A”插孔對(duì)這些產(chǎn)品來(lái)說(shuō)過(guò)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(duì)該規(guī)范進(jìn)行了修改，以強(qiáng)制規(guī)定 OTG 設(shè)備的“微型”連接器。特別是，OTG 設(shè)備必須實(shí)施一個(gè)微型 AB 插孔。這種 AB 名命表示其為批量安裝在某個(gè)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(wèn)題似乎很清楚：如果您插一個(gè)微型 A 插頭，則設(shè)備會(huì)為一個(gè)主機(jī)；如果您插一個(gè)微型 B 插頭，則其為一個(gè)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(zhǔn) USB 系統(tǒng)的四個(gè)觸點(diǎn)又增加了一個(gè)觸點(diǎn)，稱作 ID。由于 ID 引腳不在標(biāo)準(zhǔn) USB 連接中，因此規(guī)范保留了這一點(diǎn)，并在 ID 引腳上定義了一個(gè)無(wú)連接，作為初始外圍設(shè)備。反過(guò)來(lái)，如果 ID 引腳接地，則設(shè)備扮演初始主機(jī)角色，如圖 1 所示。
如上所述，線纜方向決定著連接處兩個(gè) OTG 設(shè)備扮演的設(shè)備角色。主機(jī)通信協(xié)議 (HNP) 定義了一種在主機(jī)和設(shè)備角色之間動(dòng)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(gè) OTG 設(shè)備都必須包括一個(gè) TPL，我們便能理解這種要求。左邊的設(shè)備在其 TPL 上有一臺(tái)打印機(jī)，但其并“不”在打印機(jī)的 TPL 上。如果用戶“倒過(guò)來(lái)”插入線纜（如圖 2 所示），則如果不倒置角色兩個(gè)設(shè)備之間的通信便不可能進(jìn)行。把線纜從兩個(gè)設(shè)備取下，然后將線纜端點(diǎn)倒過(guò)來(lái)再重新連接，便可以實(shí)現(xiàn)通信。OTG 規(guī)范內(nèi)置到了協(xié)議中，以自動(dòng)地應(yīng)對(duì)這種情況。HNP 允許靜默和自動(dòng)角色倒置，從而實(shí)現(xiàn)通信。相比強(qiáng)制規(guī)定用戶斷開(kāi)線纜然后倒置，這樣做提高了最終用戶體驗(yàn)。正因這樣，需要注意的主機(jī)通常為 A 設(shè)備但卻并非始終如此，這一點(diǎn)很重要。
圖 2 主機(jī)通信協(xié)議實(shí)例
會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議 (SRP) 實(shí)現(xiàn)了根據(jù)“主機(jī)”設(shè)備需要開(kāi)/關(guān)總線電源的方法，以在不需要通信時(shí)省電。許多 OTG 目標(biāo)終端設(shè)備均為電池供電設(shè)備。延長(zhǎng)電池使用時(shí)間對(duì)于廠商和最終用戶來(lái)說(shuō)都是最為重要的事情。考慮到這一點(diǎn)，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(zhǎng)電池使用時(shí)間的睡眠模式。如果需要，它還允許 B 設(shè)備也進(jìn)入睡眠模式。然而，最終用戶可能希望再次啟動(dòng)通信，并在 B 設(shè)備上發(fā)起該請(qǐng)求。SRP 允許 B 設(shè)備請(qǐng)求 A 設(shè)備開(kāi)啟 VBUS 電源，并發(fā)起一個(gè)會(huì)話。OTG 會(huì)話被定義為 A 設(shè)備持續(xù)提供 VBUS 電源的時(shí)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(lái)喚醒 A 設(shè)備。A 設(shè)備探測(cè)到該脈沖（A 設(shè)備可以響應(yīng)任何一個(gè)脈沖行為），從而使其開(kāi)啟 VBUS，并開(kāi)始一個(gè)會(huì)話。SRP 協(xié)議比這種簡(jiǎn)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(tái)普通 PC 還是 OTG 設(shè)備。通過(guò)向 VBUS 線提供測(cè)定電流量并注意產(chǎn)生的電壓，可以做出相關(guān)決定。請(qǐng)注意，在圖 2 所示實(shí)例中，必須提供電源的 A 設(shè)備是打印機(jī)，它在會(huì)話中實(shí)際上為外圍設(shè)備。
為什么應(yīng)該在便攜式設(shè)備上實(shí)施移動(dòng) USB？
如前所述，USB OTG 規(guī)范已經(jīng)發(fā)布了五年多時(shí)間，而采用率卻緩慢滯后。因此，許多人提出如下問(wèn)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?cè)賮?lái)看原始目標(biāo)設(shè)備——便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品：手機(jī)、PDA、數(shù)碼照相機(jī)、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(lái)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(jì)論壇（USB-IF，USB 行業(yè)協(xié)會(huì)）已制訂或正在制定多項(xiàng)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(jī)音頻等三個(gè)關(guān)鍵方面。當(dāng)您把這些計(jì)劃措施組合起來(lái)，并同 USB OTG 規(guī)范結(jié)合后，您便可以僅需一個(gè)單獨(dú)的小型插孔來(lái)滿足便攜式設(shè)備的所有有線連接需求，就可以實(shí)現(xiàn)全部這種功能。
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首先，讓我們來(lái)看看在電池充電方面正在進(jìn)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(guò)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(jìn)行充電沒(méi)有任何理由。設(shè)備必須滿足所有標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)低于 100 mA，并且在 PC 處于待機(jī)模式下時(shí)低于 500?A。
通過(guò)強(qiáng)制規(guī)定在中國(guó)銷(xiāo)售的所有新型手持終端都必須使用其 USB 接口充電，中國(guó)政府已將其提升到法律層面。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 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(gè) USB 插頭的電源。數(shù)據(jù)線保持開(kāi)路，這樣設(shè)備便不會(huì)嘗試通信。很明顯，電池限制并不相同，因?yàn)槠洳辉偈且粋€(gè)提供電源的 USB 主機(jī)。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(gòu)買(mǎi)一種新的設(shè)備時(shí)，手持終端廠商便無(wú)需再提供一種新的充電器，也就是說(shuō)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(jìn)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(zhǔn)外設(shè)）探測(cè)連接是標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)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(kāi)發(fā)的充電器的損害。 關(guān)鍵問(wèn)題之一是 OTG 產(chǎn)品將如何在其電池耗盡時(shí)管理 VBUS 電流輸出。一般而言，在首次連接時(shí)，對(duì)耗盡電池再充電要求一個(gè)大電流尖峰來(lái)讓電池達(dá)到某個(gè)基本閾值，以管理設(shè)備平衡。然而，如果這種充電是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)連接進(jìn)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(jì)階段處理耗盡電池問(wèn)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(zhǔn)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(duì)許多空間敏感型應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(duì)于這些便攜式設(shè)備會(huì)承受的可能使用次數(shù)而言，插/拔生命周期并不夠長(zhǎng)。最終的改進(jìn)是增加一個(gè)鎖閉機(jī)制，來(lái)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(jìn)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(zhǔn)接口的計(jì)劃。這是一種新型設(shè)備類型，其將定義一種標(biāo)準(zhǔn)接口，允許添加手機(jī)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(jī)。由于該手持設(shè)備將連接一個(gè)電池供電設(shè)備，并極有可能會(huì)從該設(shè)備接收所有其電源，因此關(guān)注功耗對(duì)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?cè)谘芯慨?dāng)今的一些便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們實(shí)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(chǔ)容量、多處理器、多無(wú)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(shí)際的益處，那么便攜式設(shè)備也可以將這些好處擴(kuò)展至其用戶便是合理的！
