USB OTG发展历程

由于USB在一开始便被定位在计算机与周边间相连接的一个接口，因此USB协会在制定USB的基本架构时选择了主从式的架构，将较困难及较复杂的工作都交给主机（Host）端，也就是计算机。因此相对来说，USB装置设计的复杂度就降低许多，厂商也就愿意也较容易设计USB接口的装置。再加上USB具有即插即用的特性，使得USB装置的便利性大幅提升。另外Microsoft的大力支持，将许多USB设备的驱动程序内建在系统中，让用户可以真正享受到即插即用的便利性。例如USB键盘及鼠标，不需要使用厂商所提供的驱动程序，就可以使用键盘及鼠标的基本功能。

基于以上的几个原因，有越来越多的接口设备采用USB作为和计算机链接的接口。而其中有部分的USB设备面临到传输速度不足的问题，于是USB协会继USB 1.1后又制定USB 2.0的规范，以弥补USB 1.1在传输速度上的不足及一些原先未设想到的缺陷。在USB 2.0的规范中新增了高速传输（High speed transfer）的定义，传输速率为480 Mbps，大幅度的提升USB的传输速度。在USB 2.0规范加入后，USB接口在计算机周边的应用上已经可以说是相当完备了。

在越来越多的USB装置出现后，渐渐有部分装置想要脱离计算机的管束互相链接，例如数字相机和打印机的链接。但是USB旧有的架构限制了USB装置间链接的可能性。在USB的架构中说明了，必须有一端要当主机，所以当两个USB装置碰在一起，没有任何一端可以做主，因此便没有办法链接。对此，USB协会又推出了USB OTG的规范来弥补这样子的缺陷。USB OTG是USB On The Go的缩写，在这里「Go」是棋盘的意思，取其意为在棋盘上任一条经线和纬线都可以找到相连的点。这也意味着，USB协会期待在USB OTG规范之下，任两个符合规范的OTG装置都可以互相链接，而不需要透过计算机。

USB OTG简介

USB OTG并不是一个独立于USB 2.0存在的规范，所有在USB OTG中未提到的事项都必须以USB 2.0的规范为准。因此USB OTG存在的目的仅在于提供一个方式，让两个USB装置得以链接。USB OTG 1.0中提到一个具备双重角色装置（Dual-role device）的概念。就是说一个OTG的装置，可以当主机，也可以当设备端。如此一来，当两个OTG装置遇上的时候，就可以由其中一方当作主机，另一方当作设备端。就可以完全符合USB对两个装置相连的需求了。除此之外，OTG的装置还必须具备以下的特性：

• ●有限的主机功能；





• ●当设备端时必须支持全速传输；





• ●当主机端时至少要支持全速的USB设备，但不强制要求支持高速或是低速设备；





• ●可链接设备的列表；





• ●必须告知用户传输的状态；





• ●至少能提供8mA的电源给设备端；





• ●支持SRP（Session request protocol）；





• ●支持HNP（Host negotiation protocol）；





• ●仅能有一个且唯一的一个Mini-AB插座。（目前USB协会正在研议这一项限制，未来可能会有改变。）

以下针对上述项目作进一步的解释。

可链接设备的列表

当OTG装置成为主机端时，并没有办法真的支持所有的USB装置，因此在道义上OTG装置必须将其所支持的设备列表列出，以利消费者选择可连接的设备。

不允许未告知用户的错误状态或是动作

当OTG装置在使用时，必须将目前状态让用户知道，尤其是以下三种状况：在OTG装置成为主机端时，链接的设备不支持；B-device开始SRP的动作；B-device完成SRP的动作后，A-device未响应。

电源供应

当OTG装置成为主机端时，至少必须供应8mA的电源给设备端。OTG装置成为设备端时则不需供应电源，但也不能从Vbus汲取超过8mA的电源。

SRP

为达到省电的目的，当OTG装置成为主机端时，可以将Vbus的电源切断，以节省电源。SRP则是提供一个机制让设备端告知主机端重新提供电源，并且恢复在USB线路上的相关活动（例如传送SOF或是IN token），以利设备端传输数据。

HNP

当两个OTG装置相链接时，由于两个装置都有当主机端的能力，所以会先由连接两个装置的缆线（Mini-A plug to Mini-B plug）决定哪一个装置（连接Mini-A plug的装置）在一开始的时候扮演主机（A-device）的角色，另一装置则是扮演设备端（B-device）的角色。当两个装置经由缆线结合在一起之后，若是想要互换角色，则必须经由HNP所定义的讯号沟通过之后，才可以互换角色。

接头及插座

USB 2.0规定可以使用的接头及插座包括：Standard-A接头（plug）及插座（receptacle）；Standard-B接头及插座；Mini-B接头及插座。OTG 1.0新增加的接头及插座：Mini-A接头及插座；Mini-AB插座。

连接线

USB 2.0规定可以使用的连接线包括：Standard-A接头对Standard-B接头；Standard-A接头对Mini-B接头；连到装置的Standard-A接头连接线，例如鼠标上面附的连接线。OTG 1.0新增加的连接线有：Mini-A接头对Standard-B接头；Mini-A接头对mini-B接头；直接连到装置的Mini-A接头连接线。

接头外观

OTG 1.0详细规定每一种接头的大小及形状甚至是颜色，例如Mini-A接头的外观是椭圆形，颜色是白色；Mini-B接头的外观是长方形，颜色是黑色，以利用户辨识。

转接头（Cable adapters）

OTG 1.0规定可以使用的转接头包括：Mini-A 插座对Standard-A接头；Standard-A 插座对Mini-A接头。

Hubs

OTG装置可以支持Hub。因为OTG相当强调是一个点对点的连接，因此当一个OTG装置接上Hub后，Hub本身的功能可以正常工作。但若想要在Hub之下再接其他的装置，就可能会有问题了，因为这样一来就不再只是一个点对点的链接了。但是在OTG的规范中并未明确规定不可以这样做。

A-device vs. B-device

USB OTG并没有规范额外的通讯协议来让两个OTG装置相链接。OTG所规范的是当两个OTG装置相链接时，可以由其中一装置来当主机，另一装置当设备。这和原来的计算机对周边的链接方式是一样的，只是在OTG的概念提出之前，所有的装置只能够当成是设备端。

当两个OTG装置相链接时，在USB原有的架构中并没有提供这两个装置决定谁当主机端的方式。因此OTG便新增加了Mini-AB的插座及Mini-A、Mini-B接头，以利OTG装置决定要当作主机端或是设备端。新增加的Mini-AB插座可以允许使用Mini-A及Mini-B两种接头插入。在Mini-A及Mini-B接头中均新增一个讯号ID，在Mini-A接头中ID必须连到USB的地线（GND）上，而在Mini-B接头中则必须是断路。

所以若是Mini-A接头插入OTG装置，ID就会是低电位，此时这个OTG装置被称为A-device，而且在初始的时候必须成为主机端。若是Mini-B接头插入OTG装置，则该OTG装置被称为B-device，并且要设定成为设备端。因此两个OTG装置的链接必须透过Mini-A接头对Mini-B接头的连接线，以便在一连上的时候决定哪一边作为主机端。当链接建立以后，这两个OTG装置可以藉由HNP的协议来转换主机／设备的角色。

SRP（Session request protocol）

因为大多数的OTG装置都以轻巧可以随身携带为诉求，因此为了达到省电的目的，OTG装置的主机端可以将Vbus的电源切断，以节省电源。但是在USB原有的架构中，并不允许设备端主动提出任何的要求，因此OTG便定义了SRP的协议，提供设备端主动要求开始作数据的传送的能力。例如：OTG数字相机链接OTG打印机时，假设此时打印机为主机端，且进入省电模式并将Vbus的电源切断。此时若是用户想要将数字相机上照片印出来，数字相机就可以透过SRP向打印机提出要传数据的需求，就不需要再对打印机作操作了。打印机在响应了来自数字相机的需求后，就可以开始向数字相机要数据来打印了，但是在传送数据的过程中，一切还是由主机端（打印机）来控制。

SRP中的「Session」是指在Vbus上的电压超过有效电压值（Session valid threshold）的期间。对A-device来说VA_VBUS_VLD必须落在2.0～0.8V之间，B-device VB_VBUS_VLD则必须落在4.0～0.8V之间。一个Session的结束则是由设备端（并不一定是B-device）来辨识，当Vbus上的电压小于0.8V时，就可以视为一个Session的结束。当上一个Session结束后，设备端才有权利再向主机端要求重新开始另一个Session。当然主机端也握有主动开始一个新的Session的权利。

《图一 SRP sequence of events》

HNP（Host negotiation protocol）

考虑以下的情形，当两个OTG装置（装置一和装置二）相链接时，假设装置一不支持装置二，装置二可以支持装置一。

• A-device B-device





• 状况一 装置一 装置二 -- 告知用户不支持装置二





• 状况二 装置二 装置一 -- 可以正常工作

因此当用户把线接上装置后，只有一种情形可以正常工作，这样子会增加使用上的麻烦。因此，USB OTG又新增加了HNP的协议，让主机端的角色可以在两个OTG装置间转换。如此一来，在状况一中虽然装置一不支持装置二，但是装置一可以经由以下的步骤将主机的角色转让给装置二，让装置二来主导数据的传输。

由A-device--B-device

• 步骤一：A-device传送SetFeature（b_hnp_enable）的命令（setup command）给B-device，告诉B-device将要成为主机端。





• 步骤二：A-device进入待命（Suspend）模式（和省电模式不同，并不把Vbus的电源切断，只是停止在总线上动作（如传送SOF））。如图一中的事件。





• 步骤三：当B-device侦测到进入待命模式以后（5ms），就可以将提升电阻关掉，进入主机模式。对A-device来说，这相当于是一个B-device断线的状态。所幸HNP是由A-device主导，因此可以由A-device来区别这是断线还是B-device进入等待A-device响应的状态





• 步骤四：A-device由主机模式进入设备端模式，并且将提升电阻打开（
  
  
  
  

由B-device--A-device

• 步骤五：B-device停止在总线上的动作，进入待命模式。如图一中的事件。并且设定为设备端，将提升电阻打开。如附图一中的事件。





• 步骤六：当A-device侦测到进入待命模式后，会进入主机模式。如图一中的事件。若是A-device并没有要传输数据的话，则可以进入省电模式，切断Vbus的电源供应。若是A-device还要传送数据的话，就可以在USB Bus Reset（如图一中的事件）后开始传送数据。

《图二 HNP sequence of events》

结语

USB OTG提供了一个让两个USB装置链接的可能性，但是同时也提高了OTG装置的在设计上的复杂度。原本要由计算机做的事情，现在都要落在当主机端的OTG装置身上。因此，为了要对应不同的设备，就需要不同的驱动程序。原本USB装置的制造商只要熟悉自己的产品就可以了，在加入OTG的概念后，就必须要对想要链接的设备有一定的了解。例如想做OTG数字相机来打印照片，除了数字相机的技术外，也需要了解打印机的设定及使用，而打印机的种类繁多，因此想要支持所有的打印机，可以说是一个遥不可及的梦想。所幸USB协会努力的推动各种不同装置的标准。例如：人性化接口装置（HID Class）、打印机装置（Printer Class）、影像装置(Still Image Class)、大量储存装置(Mass Storage Class)...等。如此便能够使用相同数据格式，相同传输方式来传输数据。藉由这些不同装置类别的规范，就有机会大大简化在OTG装置上对驱动程序的需求。OTG装置只要能够支持某一个类别，就可以支持符合该类别的所有设备。

（作者为巨盛电子项目经理）