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USB-OTG帶來直航效用USB裝置對接成風PC地位將架空？（郭長祐DigiT）2005/03/28前言現在，愈來愈多的隨身裝置具有USB介面，包括個人數位助理、數位相機、數位隨身聽、智慧型手機等，透過USB介面，這些裝置不僅可與PC交換資訊，有時還可以進行充電，甚至是程式安裝、韌體更新。 圖說：USB OTG以過去USB 1.02.0為主軸基礎，衍生出USB裝置互接的新運用規範。（製圖郭長祐）不過，USB最初的設計，即是以PC為發散主軸的連線，USB週邊裝置相互間並無法互通、互連，一切都必須透過PC的轉介，這在過去可行，然今日的隨身裝置愈來愈多，不能直接互連就相當不方便。舉例而言，朋友一同出外逛遊，用數位相機拍得了好照片，卻無法立即傳遞、分享給友人，得回家後上傳至PC，再用電子信件發送；或者友人覺得您的手機鈴聲不錯，也不能將鈴聲立即傳遞到對方的手機中。很明顯的，若沒有帶PC出門，USB介面在外就形同無用。相對來看，與USB同為業界積極推倡的1394介面，卻早已實現對接的便利，手持式的D8數位攝影機具有1394介面，可以將視訊影像傳至具1394介面的錄放影機，中間不需要經過PC，其他方面的對接應用也相當普及，今日幾乎日系的影音家電都已內建1394介面，並相互直接通訊，就連SONY PlayStation 2電視遊樂器也具備。有鑑於此，USB也必須有對接能力，所以USB-IF（Implementers Forum）組織以原有USB規格為基礎，衍生制訂了USB的對接標準，稱為USB OTG（On-The-Go），希望讓USB發揮更多的價值效益。USB對接需求從去（2004）年才開始逐漸顯現，想必是高容量數位隨身聽、多功能智慧型手機所帶動，但其實USB OTG早在2001年12月就已經完成制訂，之後僅在2003年小幅修訂，至今未有所改變，只是過去一直未受重視。筆者翻閱USB OTG的規範文件，總共有77頁，在技術文件中僅屬中量水準，但其實USB OTG是以USB 2.0規格為基礎所加搭，USB 2.0文件厚達650頁，即便不以2.0版為基礎，以更早前的1.1版而論，也多達327頁，不過USB 2.0文件已經包含原有1.0、1.1的部分，USB OTG屬衍生規格，所以直接呼用USB 2.0的基礎內容。如同USB 1.0提升至1.1，USB OTG 1.0版後的小幅修訂成為USB OTG 1.0a，多是小細節方面的更正或更明確地描述，以及小幅的更新，與前一個版本間並無大礙，甚至在運作、使用上都難以感受其差別。 USB OTG基礎運作概念建立要想瞭解USB OTG，各位必須先有USB 1.1/2.0的技術認知，才能夠體會USB OTG與原有正統USB設計間的差別。而若希望及早理解整個OTG的運作概念，必須先認識下面5個縮寫字詞。一、DRD（Dual-Role Device）雙重角色的USB裝置傳統USB運作中，PC是Host的主控角色，其他與之相連的通通為Peripheral（週邊）角色，亦即USB裝置。現在USB OTG希望兩個USB裝置能不透過PC而直接互連，其實是讓其中一個USB裝置放棄原有的週邊角色，改充當起主控角色，而另一個USB裝置保持週邊角色，並以為自己是連接到主控者，達成直接互傳的效果。不過，由USB裝置喬裝成主控者只是兩個直接互通的權宜之計（但卻是USB OTG的整體神髓），該USB裝置在其他情況下也可以卸下主控角色，返回原有的週邊角色，例如兩相互接時，若另一USB裝置才是主控者，而互接規則上必然是一個主控、一個週邊，此時就會轉回成週邊。或者該USB裝置攜回家後與真正的PC相連，這時也是回歸到一般正規USB週邊的角色。具備USB OTG功能的裝置也一樣相容於傳統USB裝置。這種此一時是主控者、彼一時是週邊者的USB裝置，我們稱它為DRD。但是，並非所有的USB OTG裝置都必然是DRD，也有在傳統USB接法時是一般USB週邊型態，在OTG對接時也是週邊型態的裝置，永遠是被動、受控的角色，此種裝置就不是具備雙重角色的DRD。附註：USB OTG文件中若談及A-device，即指Host角色裝置，反之B-device即指Peripheral角色裝置。二、ID（Identification）角色辨識的接腳兩個USB裝置互接時，要怎樣讓兩個裝置都知道：誰是主控？誰是週邊？這其實運用了新接腳，在傳統4-pin的USB介面中追加了第五接腳：ID。欲在互接中擔任主控者的USB裝置，則將ID腳位接地（GND），相對的想擔任受控者的USB裝置則將此接腳空接（NC），若要用更具體的電氣特性來說明，則接地者的ID線路電阻值必須低於10歐姆（ohm），相反的空接將大大拉高阻值，須超過100k歐姆。 圖說：USB OTG透過新增的ID接腳之接地、浮接狀態來決定互接時的主僕角色。（製圖郭長祐）三、HNP（Host Negotiation Protocol）主控角色的協商協定有時候互接的角色並非是一成不變，雖然同一時間內必是一個主控、一個週邊（亦可看成：受控），但若互接的兩者也都是DRD，那麼其實在互通的過程中也是可以角色互換的，但互換必須讓兩裝置先行溝通、協商，這就需要用到協商協定，此協定屬USB OTG所特有，傳統USB中沒有此協定。 四、SRP（Session Request Protocol）連通傳輸的需索協定USB OTG在制訂時，就已能夠設想到互接需求將有很大機會是屬戶外運用，且行動裝置的電量有限，所以設計上希望互接過程中若是斷斷續續傳遞，則在無傳輸時能將USB線路信號暫時關閉，以精省用電，但若有一方希望恢復傳輸，則當向另一方發起需索動作，此一需索就成為另一種協定：SRP。SRP與HNP相同，都是為實現USB OTG所新訂立的USB通訊協定。五、TPL（Targeted Peripheral List）標地週邊的資訊清單即便USB裝置在OTG互接中能扮演類似PC的主控角色，但由於只是暫代性的角色，並非真的具備傳統PC主控者的所有功能，僅是具備部分功能（足敷對傳需求），所以能支援的對傳裝置之類型也有所限制，並非所有USB OTG裝置都可互傳、互接，而到底支援的限度為何？答案就在TPL上。TPL可被看成是一份USB OTG裝置的支援清單，這份清單存放在USB OTG的主控角色中，一旦對接形成，主控者就會偵測對接的裝置屬何種類型？得知之後再與TPL進行查詢比對，若該類型在清單支援之列便可正常互通運作，反之則否。然而USB OTG文件中也規範：即便不能互通運作，也必須發出訊息讓使用者得知，不可默不作聲，此稱為No Silent Failures。至於各種應用裝置的類型由誰定義？則是由USB-IF負責，過去在傳統USB的類型定義時亦是如此，不過目前USB OTG所適用的類型仍屬少樣，無法與多采多姿的傳統USB相提並論。供電要求因應外用情境而變通雖然USB OTG以USB為基礎而變化，但為了更切合實際運用，有些基礎部分也有違原USB規範的作法而改採變通，供電規範即是一例。傳統USB要求PC主控者，其USB埠至少必須對外提供5V、100mA的供電給外接週邊，週邊在取用100mA電力後，至少能讓USB裝置內的晶片完成與主控端的基礎溝通，包括辨識、列舉等動作。同樣的USB OTG的主控端也一樣要肩負供電任務，不過體恤擔任主控角色的多半只是個行動裝置（如：PDA、Smart Phone等），其自帶電力（電池）已屬有限，還要供應給週邊，因此下修供電電流，從最低100mA改成8mA。此外，若USB OTG中的主控者其電力即將用鑿，且該裝置屬DRD，同時它的互接對象也是DRD，那麼還有機會進行角色移轉，主從對調，由另一段來擔任主控及供電角色，持續進行對傳。另外一個變通與放寬是供電電壓部分，不過改變幅度不如供電電流大，傳統USB的供電電壓為4.75V5.25V（允許正負5%的擺盪），而USB OTG改為4.4V5.25V（最低電壓準位放寬），一樣是為體恤電池裝置而調整。傳輸速度、傳輸模式、集線器支援USB 1.0/1.1只有兩種傳輸速度，即1.5Mbps的Low-speed與12Mbps的Full-speed，USB 2.0出現後又多出一個480Mbps的High-speed。在USB OTG中，無論是Host還是Peripheral，基本上都是用Full-speed運作，而Low-speed、High-speed在USB OTG中都成為選用的傳速模式，其中Peripheral允許改用High-speed，Host則可改用High-speed或Low-speed。此外USB原有的4種傳輸模式：Isochronous（即傳）、Interrupt（岔傳）、Control（控傳）、Bulk（巨傳）等，在USB OTG中並無任何特殊額外的規定與運用限制，完全等同於傳統USB。比較有趣的是：USB OTG能否與傳統USB Hub連通使用呢？在USB OTG規範文件中沒有很武斷地否定，反而表示DRD或許可考慮支援Hub的使用（從無PC對接擴展成無PC多接？）。不過現有已販售出的傳統Hub肯定無法運用，因為這些Hub不認識USB OTG才有的新通訊協定，無法為其傳遞運作。USB OTG須搭配Mini接頭前面已述，USB OTG須倚賴ID接腳來決定互接時的角色，傳統USB接頭都只有4pin，所以必然要使用新接頭。傳統USB本來即有兩種接頭，長條狀的為主控端用的A接頭，近似正方狀的則為週邊端用的B接頭，設計成兩種不同接頭的用意是避免連接倒置，把USB滑鼠與USB喇叭相互連接，變成完全行不通的連接作法，甚至在啟動電源後造成裝置傷害。 圖說：傳統USB（USB 1.0/1.1/2.0）使用A、B兩類接頭，A類（Standard-A）用於主端，B類（Standard-B）用於週端，A、B分別的互異設計可避免錯誤的反接。（圖片來源USB.org）這樣的防呆分別也適用於USB OTG，且由於USB OTG多會運用在行動裝置上，體積、構型多半很嬌小，相較下傳統USB接頭、接孔反而過大，因此也藉此縮減USB接頭、接孔的體積，變成Mini-USB接頭、接孔，並同樣有A、B之別，同樣用來避免錯接，同時加入USB OTG所需的ID接腳。有了Mini-USB後，為了與原有的USB有所區別，所以有了4種區別稱法：Standard-A、Standard-B、Mini-A、Mini-B，A皆為主端用，B皆為週端用。比較特別的是，DRD既可以是主端也可以是週端，是個特例，所以Mini-USB又增闢了一個Mini-AB的特有接孔以專供DRD使用，而Mini-AB接孔可接Mini-A接頭，或者也可接Mini-B接頭。另外USB OTG文件中也規範接頭、接孔的顏色標示，Mini-A接頭為白，Mini-B為黑，Mini-AB為灰，不過筆者不認為所有業者都會依循，過去傳統USB中也有相同的規範，但今日週邊產品競爭激烈，為了產品酷炫各種顏色都會使用，尤其在1999年時最盛行果凍透明色（Apple於1998年9月推出iMac後的隔年）。 圖說：Mini-A、Mini-B皆有接頭與接孔的設計，與傳統USB的Standard-A、Standard-B用意相同，防止Mini-A、Mini-B的混淆反接，而Mini-AB僅有接孔設計，其接頭可用Mini-A或Mini-B接頭。（圖片來源M）結論上述為USB OTG的大致概念，其他尚有更細部、具體的規範，例如信號在線路中延遲的最大允許時間、線路電容質、最大漏電壓、進行SRP前的資料線脈波動作（Data line pulsing）、供電線脈波動作（Vbus pulsing）、信號線上的提升電阻（Pull-Up Resistance）阻值、下拉電阻（Pull-Down Resistance）阻值等，在此無法一一說明。瞭解USB OTG的運作對電路設計者、韌體設計者較有幫助，但對EDA的晶片設計者而言，如何更快設計出具有USB OTG功能的ASIC或SoC呢？特別是希望設計出能使用高速USB 2.0的OTG方案。對此，有一群業者結合成立了ULPI工作小組，以免授權費、免忠誠協議的作法提供速成方案，ULPI其實是UTMI+ Low Pin Interface的縮寫，UTMI+之前是UTMI，UTMI指的是USB 2.0 Transc