【翻译】USB OTG基础知识

介绍

USB On-the-GO（OTG）允许两个USB设备不依赖PC的支持而直接进行对话。尽管OTG看起来有点儿像，但它并不是USB设备间的“点对点”连接。
事实上，USB OTG仍旧是标准的USB Host/Peripheral^[1]模式，即一个单独的Host设备可以与多个Peripheral进行对话。
OTG引入了双角色设备（DRD）的概念，设备能够作为Host/Peripheral二种角色之一进行工作。
OTG的魔力之一是Host/Peripheral设备可以在必要的时候互换角色。

在OTG产生之前，嵌入式USB Host设备的概念是固化的。
因为大多数嵌入式Host芯片只能提供有限的功能，而不是完整复制PC上的UHCI/OHCI USB驱动，这使它们对比PC上庞大的驱动和应用的体积而言，更适合嵌入式环境。

而OTG设备并不拘泥于Host的功能。更多的时候，大多数OTG设备能够作为双重角色出现。

作为USB Peripherals

图一举例说明基本的USB OTG作为Peripheral的电路连接。图示周边设备在low speed（低速）/full speed（全速）下工作，也就是通常意义的USB1.1设备。
这种命名法在进入USB2.0时代后仍旧沿用。2.0的速度被称为高速（high speed）。

图一 USB Peripheral控制器和周边电路
图一中所指的USB控制器可以是一个附加了USB 串行接口引擎的微处理器，一个完整的USB处理芯片，或者连接在USB收发器上的集成电路。
一个总线控制电源的周边设备需要3.3V的电源为逻辑电路供电，并且为连接在D+和D-管脚上的1500欧电阻提供电压。这个上拉电阻会通知Host，有设备接续信号产生，并且通过它识别出操作速度。
D+上产生的上拉为full speed（USB1.1），D-上产生的上拉则为low speed（USB1.0）。
在USB连接的另一端——Host或者hub的D+和D-上连接有15k欧的下拉电阻，因此上拉信号会被检知。
最后，应该为D+，D-和VBUS添加ESD保护电路^[2]，因为USB的即插即用性。

变成USB Host

图一的电路只适用于USB Peripheral设备。为了添加OTG双角色功能，收发器必须扩充功能，以满足OTG设备扮演Host或者Peripheral角色的需要。
在图一上进行下列扩充，使整个系统实现Host功能：
·D+和D-上的15k欧的上拉电阻。
·VBUS上的一个可控的供电电源，而不是固定电源。

专用集成电路或者控制器也必须包含实现USB Host功能的逻辑。一些在Peripheral设备中并不存在的Host功能包括：
·发送SOF^[3]包
·发送初始化及IN，OUT包。
·通过USB1ms帧进行计划传输。
·标识USBreset。
·提供USB电源管理。

为了实现对两种角色转换的支持，OTG需要额外的电路来支持两个新协议：HNP和SRP。

HNP主机交换协议

一个OTG双角色设备能操作Host或者Peripheral设备。在OTG的命名规则下，初始的Host被称为A-Device，初始的Peripheral设备被称为B-Device。这两个词的初始定义非常重要^[4]。
当接续产生，OTG双角色设备能够通过HNP协议转换Host/Peripheral角色。HNP提出了两个鲜明的问题：（A）初始的角色是如何决定的？（B）为什么角色翻转是必要的？

图二 通过第五根ID管脚决定初始的Host

接线接口的不同决定了初始角色。双角色设备使用一个新的插槽——Mini-AB。Mini-AB插座增加了连接线终端的第五根管脚（ID）用来识别不同的电气身份。
第五根ID管脚在mini-A端的内部接地，而在mini-B端的时候悬空。OTG设备接收到ID管脚接地时作为默认的A-Device（Host）；ID管脚悬空时作为默认的B-Device（Peripheral）。

图三 OTG接线反向接入
为了理解HNP的需求以及Host/Peripheral的翻转，图三给出了两个双角色设备连接的例子：一部PDA和一个打印机。在PDA内部有打印机驱动。两个设备如图示通过一根OTG线进行连接，这时打印机作为默认的Host（A-Device），而PDA作为默认的Peripheral（B-Device）。但是设置是反向的。因为PDA中有打印机驱动，工作时相对于打印机来说需要扮演USB Host的角色，而打印机上是没有驱动的。为了避免用户重新插线的麻烦，HNP允许两个设备的角色自动反转。

SRP对话请求协议

OTG规格说明书中为USB引入第二个协议，叫做SRP（Session Request Protocol）。
SRP允许一个B-Device向一个A-Device提出请求，用来接通VBUS电源并开始会话。
一个OTG会话被定义为A-Device提供VBUS电源的时刻。（注意：A-Device会始终提供VBUS电源，即使在它通过HNP协议转换成为Peripheral角色之后也不会停止供电）
A-Device可以通过切断VBUS并保存电源的方式结束一个会话。这在电池供电的设备上是非常重要的需求，比如手机。

图四 对话请求协议
图四说明了一个通常的OTG程序：两部手机连接交换数据。右面的手机插入mini-A端，作为A-Device端并且进入Host角色。左面的手机是B-Device，默认是Peripheral角色。
如果USB上的通信不再必要，A-Device能够停止VBUS供电，这样B-Device能够检知并进入低电模式。

现在假设左面手机的用户按下了一个按键，用来同步电话簿，或者其它需要USB会话的动作。
左面手机会在D+线上产生一个“SRP Pluse”脉冲，然后VBUS线会唤醒A-Device。（A-Device能够响应D+和VBUS上的信号）
A-Device检知到这个信号后^[5]，会接通VBUS并开始一个会话。

SRP协议要比这个简单的例子复杂。比如，B-Device必须先测量VBUS以确认没有使用中的会话。并且它必须能够区分连线的另一端是传统的PC还是OTG设备。它通过向发送VBUS测量量并以收不到电压变化来确定另一端的角色。

当会话在进行中时，设备是否仍旧使用SRP协议就无所谓了。

OTG收发

现在我们可以详细说明OTG的收发器了。如图五所示。

图五 一个OTG收发器
图五基于图一的电路图进行扩展。集成模块可以是微处理器或者USB功能的DSP。为了实现OTG的收发器，追加了三项：
1.在D+和D-上追加可以切换的上拉/下拉电阻以实现Host/Peripheral功能。
2.为了作为A-Device，为VBUS提供5V电源并进行监视用，以及为了作为SRP初始B-Device一方，监视并提供VBUS脉冲用的电路。
3.一个作为专用集成电路输入用的ID输入管脚。

为了在系统中操作双角色OTG设备，连接在收发器上的任何芯片或者集成电路必须同时支持Host和Peripheral功能，并且能够根据HNP协议动态切换角色。
追加的收发器电路大部分作用是管理VBUS管脚。因为它现在作为Host时必须支持8mA/5V的电源，作为Peripheral时要提供VBUS脉冲。通过模拟开关的来配置收发器，使它能适应不同的角色。

原文连接

[1] USB本身存在Host（主）与Device（从）的概念。但是“Device”与“设备”容易产生歧义，所以本文表达“从”概念时一律用“Peripheral”这个词。这也是大多数USB文档中采用的方法。
[2] ESD 保护电路 via
[3] SOF Start of Frame。USB传输协议中的一个令牌包。是唯一一个不指定方向的令牌包，向所有的设备进行广播。via
[4] 有人认为A-Device与B-Device的区别跟Host/Peripheral无关，而只是ID接地的被称为A-Device，ID悬空的为B-Device。
[5] 对于Host端来说，设备的检出就是ADP（Attach Detection Protocol）协议。