USB 2.0 OTG行動版規格概述

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USB 2.0 OTG行動版規格概述

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解答

電子產品在挑戰尺寸、容量、處理速度與便利性的同時，也考驗著工程人員的設計能力。舊式USB介面的單向傳輸方式已很難匹配現今可攜式電子產品的強大功能，市場需要的是讓可攜式裝置直接互連的雙向聯結方式。而USB OTG的問世，所有問題將迎刃而解。 隨著電子產業不斷革新與演進，電子產品的成本亦隨之降低。尺寸設計更為輕巧，而耗電量也相對降低許多，使得可攜式電子裝置不論在數量或種類上，在過去幾年都呈現爆炸性成長。行動電話、數位相機、PDA、MP3播放機等裝置，不但功能愈來愈多，其儲存容量和處理速度也愈來愈高。這些新型的高階配備，為使用者所帶來的便利與功能，在幾年前幾乎是無法想像的。 而這些功能強大的新型配備問世後，設計通訊協定、系統架構和硬體裝置的工程師，也面臨到新的問題與挑戰。以往應用於交流電器的傳統設計法，未必適用於新一代電子裝置的各種特性。 與可攜式裝置互相通訊的挑戰 隨著可攜式裝置的功能和資料容量的提高，使用者也開始希望能與其他可攜式裝置、非可攜式裝置互相共享資訊，但是掌上型裝置的資料輸入及資料顯示較為不易，這個問題並不存在於個人電腦或其他高階電子產品。可攜式裝置因為體積小，通常沒有很實用而共通的人機介面，常常只有一個小螢幕以及數目有限的按鍵。這個嚴重的問題，使得這些裝置的資料輸入與存取，無法匹配其性能與儲存容量。舉例來說，要製作一個可儲存一萬筆電話號碼的手機，在技術上並不困難，但是要用手機本身小小的數字鍵盤來輸入那麼多的人名和電話號碼，幾乎是不可能的事。 可攜式裝置的另一個問題是必須要傳輸的資料量。以一台數位相機為例，其儲存容量就可高達數百MB。此外，資料傳輸的方式也有很多類型。比方說，手機用戶可能會想將手機連接到個人電腦，下載原先儲存的訊息；有時需要和其他手機連線，互傳電話號碼；或者需要和數位相機連線，上傳所拍攝的相片；當然有時還必須連接到PDA，使用無線網路功能。 但是，手機之類的可攜式裝置體積太小，沒有空間為各種連線類型提供專屬的接頭，而且可攜式裝置的市場對成本相當敏感，想要提供這麼多的接頭，會使成本過於昂貴。此外，很多使用可攜式裝置的用戶，並不熟悉太過於技術性的功能，所以廠商設計的資料傳輸方式，必須是簡易且直覺式設計。 由此看來，我們需要一種便宜、普及、使用容易、傳輸速率高的連線方式，使各種不同的電子裝置能夠彼此通訊且傳輸資料。 傳統USB介面並非萬能 通用序列匯流排（USB）介面，就是一種可行的連結方式。USB介面在個人電腦已經相當普及，可連接滑鼠、鍵盤等簡單配備，也可連接印表機、MP3播放機等較複雜的配備。過去三年以來全世界所銷售的電腦，幾乎每一台都有USB功能，目前用戶所使用的電腦及週邊配備，已超過十億台具備USB功能。USB的成本低、性能穩定又容易使用，且它的效能高，資料傳輸速率可達1.5 Mbps至480 Mbps。 但是，標準的USB連線需要一個主控端（host），這個主控端通常是個人電腦。如果我們想把一份儲存在週邊配備的資料，傳輸到另一個週邊配備，唯一的方法是透過主控端來中介傳輸，詳見(圖一)。 註：標準的USB連線架構 圖一　個人電腦與印表機、相機、PDA連線 標準的USB系統配置，是由個人電腦作為主控端，而其它的配備則作為週邊，週邊配備彼此不能直接互連，所有的資料必須透過主控端來中介傳輸。舉例來說，如果我們想要將數位相機的照片列印出來，必須先將相片上傳到主控端，再從主控端傳送到印表機。 那麼，為什麼不在可攜式裝置裡，加入主控端功能呢？這個方法聽起來簡單，但實際做起來可不容易。 USB是一種主從架構的通訊協定，原先是設計給一個主控端搭配多個週邊配備的應用方式，因此USB連線的操控管理，多半是仰賴主控端。如果要將整套USB規格的主控端控管邏輯，全部建構在一個可攜式裝置中，對於著重功能簡便而專一的可攜式裝置而言，可能會造成很大的負擔。而且USB傳輸線具有方向性，插入主控端的接頭和插入週邊配備的接頭並不相同。 以可攜式裝置而言，有時候必須擔任主控端的角色，例如數位相機傳送相片給印表機。而有時候則必須擔任週邊配備的角色，例如數位相機將相片上傳至桌上型電腦，如(圖二)。而且雖然USB的專用接頭體積不大，但如果要建構於小巧的可攜式裝置之中，可能還是過於龐大。最後一點，USB架構認定主控端具備充足的電源，可為連線的週邊配備提供電力，有些配備甚至全部的電力都是來自USB匯流排。這樣的供電架構，對於一些電力有限的小型可攜式裝置而言，會造成難以管理的負擔。 圖二　理想的連線架構 我們真正需要的，是一種能讓可攜式裝置直接互連的連線方式。舉例來說，我們可能希望如圖二a所示，比照標準的USB架構，將數位相機直接連線到個人電腦，上傳相片圖檔。也可能希望如圖二b所示，將數位相機直接連線到印表機，不需要透過電腦主機，即可直接列印相片。 USB的多項優點，一定有辦法能克服上述的缺點，使USB能實際應用於可攜式裝置之中。 USB OTG出馬　問題迎刃而解 USB難題的解決之道終於問世。USB標準規格於2001年12月增訂USB OTG（USB On-The-Go）規格，解決了可攜式裝置的建構需求，其內容包括：制訂體積較小的接頭規格，而且相同的接頭可用於主控模式及週邊模式，另外還制定一套新協定，可讓兩個裝置協商何者扮演主控角色、何者扮演週邊角色。新規格的供電需求量較低，使得電源節約模式的功能也有所改良，另外還增添了幾項限制，以降低軟體常態運作的負荷。OTG雖然有了這些新功能，但還是和現有的USB規格完全相容。接下來，本文將針對這些新功能一一詳細介紹，並探討這套新規格對於系統設計所帶來的影響。 新式接頭 在USB規格的機械性改良方面，主要是增添了幾款新型接頭，針對既有的A型接頭及B型接頭，這次新增了Mini-A和Mini-B接頭與插槽，以及一種Mini-AB型插槽。這些接頭與插槽，體積比原先的USB規格小了很多。 圖三　Mini-A接頭與標準A型接頭的橫斷面比較圖 　 　 圖四　Mini-B接頭與標準B型接頭的橫斷面比較圖 Mini-AB插槽適用於雙模式裝置，既可扮演主控角色、亦可扮演週邊角色的裝置。另外還有一個ID接腳，這個接腳在標準的USB接頭中並不存在，在Mini-A接頭則用於短路接地，在Mini-B接頭則處於斷接狀態。雙模式裝置利用這個ID接腳來判斷目前連接的是哪一種接頭，並以此決定預設的角色。 新通訊協定 OTG增訂規格中最重要的變革，即為擴充了原先的USB協定，提供更嚴謹的電源管理功能，並允許電子裝置擔任主控角色或週邊角色。而這些革命性的功能將討論如下。 雙模式裝置（Dual-Role Device） 「雙模式裝置」即為可擔任主控角色、亦可擔任週邊角色的電子裝置。除了要符合USB 2.0標準的所有要求之外，雙模式裝置還必須提供有限的主控功能，並支援「通訊請求協定」（Session Request Protocol；SRP）以及「主控協商協定」（Host Negotiation Protocol；HNP），而且應具備單一Mini-AB插槽。此外，這種裝置必須要能傳送訊息給使用者。當雙模式裝置處於主控模式運作時，VBUS只需要供應8mA的電流，這個規格有別於標準USB主控端的100mA或500mA要求。 主控協商協定（Host Negotiation Protocol） USB本質上屬於一種主從架構協定，匯流排上所有的資料傳輸，都是由主控端來啟始。當雙模式裝置連接Mini-A插頭時，該裝置預設為擔任主控角色；如果連接Mini-B接頭，則預設為擔任週邊角色。如果使用者想把雙模式裝置從主控模式切換為週邊模式，並不需要拔除連接線再重新插入，OTG規格定義了一種主控協商協定（HNP），透過這個協定，原先連線時預設為週邊模式的雙模式裝置，可請求成為主控端。 HNP協定進行時，A裝置必須先透過OTG規格所新定義的Set Feature request，啟動B裝置的匯流排控管功能，一旦啟動之後，B裝置就可以在A裝置允許的狀況下，操控匯流排的運作。當A裝置想讓B裝置成為主控端時，首先A裝置會停止所有的資料傳輸，使匯流排暫停，接著B裝置可降低D＋線路至低位準，產生一個斷線訊號（disconnect），然後A裝置會啟動其資料線路的上拉電阻（pull-up resistor），完成運作模式的切換。切換之後，B裝置就可以擔任主控角色，而A裝置則以週邊模式回應。 如果B裝置想要將主控權歸還A裝置，可以暫停匯流排，並啟動本身的D＋上拉電阻，A裝置感測到之後，會停止本身的D＋上拉電阻，並恢復成主控模式運作。請參閱(圖五)的HNP示意圖。 圖五　HNP示意圖 兩個互相連接的雙模式裝置，可以透過HNP交換主控端角色。圖五顯示A裝置與B裝置逐步執行HNP時，D＋線路的訊號活動。 (1)A裝置停止資料傳輸，使匯流排暫停。 (2)B裝置感應到匯流排暫停，停止本身的上拉電阻，A裝置端的下拉電阻將D＋拉至低位準。 (3)A裝置偵測到斷線狀態（disconnect），啟動本身的D＋上拉電阻。 (4)B裝置偵測到D＋升高，認定為連線狀態，進入主控模式，接著將A裝置列為本身的週邊裝置，執行USB重置（USB Reset）。 (5)匯流排恢復資料傳輸，由擔任主控端的B裝置加以操控。 (6)當B裝置決定放棄匯流排控制權時，會停止資料傳輸，使匯流排暫停。 (7)A裝置感應到匯流排暫停，停止本身的上拉電阻。 (8)B裝置感應到D＋降低，重新啟動本身的上拉電阻。 (9)A裝置進入主控模式，並將B裝置列為週邊，執行USB重置。匯流排恢復資料傳輸，再度由A裝置擔任主控端角色。 通訊請求協定（SRP） 典型的USB系統，主控端在處於運作狀態時，USB VBUS必須隨時提供5V的額定電壓，以及最少100mA的電流。這樣的供電需求對於連接到電源插座的主機而言，當然沒有問題，但對於手機之類的小型裝置，就無法負荷這樣的耗電量。為了節約電源，延長電池供電壽命，OTG規格允許OTG主控端（A裝置）在匯流排不傳輸資料時，可將VBUS關閉。SRP協定可讓擔任週邊的B裝置請求A裝置重新啟動VBUS，開始另一次的通訊階段（session）。 當前一次通訊階段已終止2ms之後，B裝置可以隨時啟動SRP協定。SRP協定啟動時，B裝置會進行「資料線路脈衝」以及「VBUS脈衝」，資料線路脈衝是將資料線路的上拉電阻（全速裝置位於D＋，低速裝置位於D－）啟動5ms到10ms，VBUS脈衝是將VBUS輕微地驅動（足以將低負載量的OTG線路拉到至少2.1V，但不足以將負載量更高的典型線路拉到2.0V）。 A裝置一旦偵測到資料線路脈衝或VBUS脈衝，就會啟動VBUS，開始另一次的通訊階段。當A裝置判斷匯流排上已經沒有資料需要傳輸，就會將VBUS關閉，結束本次的通訊階段。請參閱(圖六)的SRP示意圖。 註：通訊請求協定（SRP） 圖六　SRP示意圖 USB OTG主控端可切斷匯流排的供電，以節約本身的電源。所連接的週邊裝置可使用SRP協定，要求主控端重新啟動匯流排。本圖顯示VBUS的訊號活動以及上拉之後的資料線路（全速及高速裝置位於D＋，低速裝置位於D－）。 (1)A裝置停止資料傳輸，暫停匯流排。 (2)A裝置關閉VBUS以節約電源。 (3)資料線路脈衝：VBUS低於通訊有效閥值以下，而且D＋與D－皆處於低位準2ms之後，B裝置可啟動資料線路的上拉電阻，啟始資料線路脈衝。 (4)B裝置的上拉電阻保持啟動狀態5到10ms之後解除。 (5)VBUS脈衝：B裝置將VBUS稍微驅動，達到能將低負載量OTG匯流排的VBUS提高到2.1V以上，但不足以將負載量更高的典型USB匯流排提高到2.0V的程度。 (6)B裝置完成VBUS脈衝之後，解除VBUS訊號。 (7)A裝置重新啟動VBUS，回應SRP協定。 (8)B裝置偵測到VBUS訊號，重新啟動本身的上拉電阻。 (9)A裝置執行USB重置，開始另一個通訊階段。 (10)匯流排恢復資料傳輸。 驅動程式支援 最後，驅動程式支援也是不可或缺的要項。掌上型裝置和個人電腦主機不同，掌上型裝置要安裝新的驅動程式並不容易，也沒有很多空間可儲存驅動程式。有鑑於此，OTG規格要求所有雙模式裝置都必須要有一個目標週邊清單（Targeted Peripheral List），清單中必須條列該裝置所支援的週邊裝置，內容包含裝置類別、製造廠商與裝置型號。如果某個裝置不在清單之中，則不保證可以搭配使用，也不需要特別支援。 設計考量 OTG規格的目的，在於補充原有的USB核心規格，而非取而代之。個人電腦主機及標準週邊配備完全無須更動。新制訂的OTG功能只是針對具備主控端功能的可攜式裝置，以及預計搭配雙模式裝置使用的週邊配備，其中尤以前者為重。 絕大多數的USB核心規格，均適用於標準USB裝置及OTG裝置。整套USB核心規格長達622頁，相較之下，OTG增訂規格只有74頁，而且其中將近三分之一是技術圖。OTG增訂規格只是提供切換主從角色以及協商通訊階段所需的通訊協定，至於通訊階段開始之後，主控端與週邊裝置的通訊方式，則完全沒有更動。 除此之外，OTG增訂規格還制訂一系列的功能，但OTG相容裝置並不需要將這些功能全數建構。舉例而言，如果一個裝置只擔任週邊角色，則該裝置只需要支援SRP協定，而預設組態的耗電量不超過8mA即可。週邊裝置要添加SRP功能並不費事，只要能執行VBUS脈衝（將一個驅動器透過電阻器連接到VBUS），並將電路邏輯稍微增改，即可建構SRP協定功能。 相較之下，雙模式裝置的設計則難度較高，因為雙模式裝置必須具備下列功能： ●有限的主控端功能 ●當作週邊裝置時，可全速運作（高速模式為選擇性） ●當作主控端時，可全速運作（低速及高速模式為選擇性） ●目標週邊清單 ●通訊請求協定（SRP） ●主控協商協定（HNP） ●只能有單一Mini-AB插槽 ●VBUS最少要能輸出8mA ●要能傳送訊息給使用者 與標準USB週邊配備相較之下，這些功能需要用到類比邏輯（VBUS的驅動與控制功能、VBUS的位準感應邏輯），以及數位邏輯（主控端功能、SRP及HNP協定的支援），還要用到軟體功能（目標週邊清單中各項裝置的驅動程式）以及系統功能（傳送訊息給使用者）。 因此，單純作為週邊的OTG裝置，在設計上只比標準USB週邊裝置稍微困難一點，但是雙模式裝置的設計，則比標準週邊裝置要複雜得多。 由於複雜度高，產品設計的難度與進度自然受到影響，影響的程度主要取決於產品的類型、設計的啟始點（修改現有的設計，或從頭全新設計）、零組件的供貨狀況，以及所採用的設計方法。 要設計這些產品的USB功能，和設計一般的標準USB系統一樣，可以採用下列三種方式之一： ●採用完整的解決方案 ●採用USB微控制器 ●設計一款自訂式IC 當然，所採用的方案愈完整，USB介面設計起來就愈簡單，而也應考量一般產品設計所需考量的系統彈性、成本、適用性、設計時間、所需人力等要素。預料在未來數年內，OTG雙模式裝置的設計難度與風險將會大幅降低。而諸如獨立式收發器（standalone transceiver）、內建OTG功能的微控制器、IP邏輯區塊（IP block）之類的套裝元件，現在也開始紛紛上市。預計未來將有更多功能強大而完整的套裝元件可供使用。除了上述的選擇之外，OTG裝置在設計上還要注意整體系統的考量（例如：必須要能傳送訊息給使用者）。 最後要注意的一點就是測試工作。為了讓使用者有優質的體驗，OTG裝置一定要測試是否完全符合標準規格，以及運作過程是否毫無瑕疵。產品的驗證方面，一定要仔細評估、測試USB標準規格及OTG增訂規格所定義的各項參數。在進行產品驗證時，可先參考OTG相容性規劃書（OTG Compliance Plan）。 結語 OTG增訂規格在經歷完整的產業審核期之後，已於2001年12月18日發表最後完稿，其開發委員會的代表來自產業各個區間，因此這套規格已享有業界的廣大支援，其中包括：接頭製造商、IP廠商、晶片供應商、軟體公司、以及器材製造商。由於OTG具有業界的廣泛支援及參與，因此相關的套裝元件及裝置已經開始陸續上市，未來還有更多即將推出。 由於OTG規格已經發表，因此目前OTG委員會的工作重點在於相關的教育及推廣。該委員會日前已經贊助了多場產業訓練研討會，地點涵蓋美國、亞洲及歐洲，未來這樣的研討活動還將繼續進行。 除此之外，OTG還有幾個地方需要加強，有些輔助規格也正在開發之中。OTG委員會目前正在擬定OTG相容性規劃書（OTG Compliance Plan），其中制訂了OTG裝置的相容性測試，以確保這些裝置能符合規格要求。USB建構論壇（USB-IF）定期贊助的相容性研討會中，已經出現初步的相容性測試。

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USB 2.0 OTG行动版规格概述


解答
电子产品在挑战尺寸、容量、处理速度与便利性的同时，也考验着工程人员的设计能力。旧式USB接口的单向传输方式已很难匹配现今可携式电子产品的强大功能，市场需要的是让便携设备直接互连的双向联结方式。而USB OTG的问世，所有问题将迎刃而解。
随着电子产业不断革新与演进，电子产品的成本亦随之降低。尺寸设计更为轻巧，而耗电量也相对降低许多，使得可携式电子装置不论在数量或种类上，在过去几年都呈现爆炸性成长。移动电话、数字相机、PDA、MP3播放器等装置，不但功能愈来愈多，其储存容量和处理速度也愈来愈高。这些新型的高阶配备，为使用者所带来的便利与功能，在几年前几乎是无法想象的。


而这些功能强大的新型配备问世后，设计通讯协议、系统架构和硬件装置的工程师，也面临到新的问题与挑战。以往应用于交流电器的传统设计法，未必适用于新一代电子装置的各种特性。
与便携设备互相通讯的挑战
随着便携设备的功能和数据容量的提高，用户也开始希望能与其他便携设备、非便携设备互相共享信息，但是掌上型装置的数据输入及数据显示较为不易，这个问题并不存在于个人计算机或其他高阶电子产品。便携设备因为体积小，通常没有很实用而共通的人机接口，常常只有一个小屏幕以及数目有限的按键。这个严重的问题，使得这些装置的数据输入与存取，无法匹配其性能与储存容量。举例来说，要制作一个可储存一万笔电话号码的手机，在技术上并不困难，但是要用手机本身小小的数字键盘来输入那么多的人名和电话号码，几乎是不可能的事。


便携设备的另一个问题是必须要传输的数据量。以一台数字相机为例，其储存容量就可高达数百MB。此外，数据传输的方式也有很多类型。比方说，手机用户可能会想将手机连接到个人计算机，下载原先储存的讯息；有时需要和其他手机联机，互传电话号码；或者需要和数字相机联机，上传所拍摄的相片；当然有时还必须连接到PDA，使用无线网络功能。


但是，手机之类的便携设备体积太小，没有空间为各种联机类型提供专属的接头，而且便携设备的市场对成本相当敏感，想要提供这么多的接头，会使成本过于昂贵。此外，很多使用便携设备的用户，并不熟悉太过于技术性的功能，所以厂商设计的数据传输方式，必须是简易且直觉式设计。


由此看来，我们需要一种便宜、普及、使用容易、传输速率高的联机方式，使各种不同的电子装置能够彼此通讯且传输数据。
传统USB接口并非万能


通用串行总线（USB）接口，就是一种可行的连结方式。USB接口在个人计算机已经相当普及，可连接鼠标、键盘等简单配备，也可连接打印机、MP3播放器等较复杂的配备。过去三年以来全世界所销售的计算机，几乎每一台都有USB功能，目前用户所使用的计算机及外围配备，已超过十亿台具备USB功能。USB的成本低、性能稳定又容易使用，且它的效能高，数据传输速率可达1.5 Mbps至480 Mbps。


但是，标准的USB联机需要一个主控端（host），这个主控端通常是个人计算机。如果我们想把一份储存在外围配备的数据，传输到另一个外围配备，唯一的方法是透过主控端来中介传输，详见(图一)。


注：标准的USB联机架构


图一　个人计算机与打印机、相机、PDA联机
标准的USB系统配置，是由个人计算机作为主控端，而其它的配备则作为外围，外围配备彼此不能直接互连，所有的数据必须透过主控端来中介传输。举例来说，如果我们想要将数字相机的照片打印出来，必须先将相片上传到主控端，再从主控端传送到打印机。


那么，为什么不在便携设备里，加入主控端功能呢？这个方法听起来简单，但实际做起来可不容易。


USB是一种主从架构的通讯协议，原先是设计给一个主控端搭配多个外围配备的应用方式，因此USB联机的操控管理，多半是仰赖主控端。如果要将整套USB规格的主控端控管逻辑，全部建构在一个便携设备中，对于着重功能简便而专一的便携设备而言，可能会造成很大的负担。而且USB传输线具有方向性，插入主控端的接头和插入外围配备的接头并不相同。


以便携设备而言，有时候必须担任主控端的角色，例如数字相机传送相片给打印机。而有时候则必须担任外围配备的角色，例如数字相机将相片上传至桌面计算机，如(图二)。而且虽然USB的专用接头体积不大，但如果要建构于小巧的便携设备之中，可能还是过于庞大。最后一点，USB架构认定主控端具备充足的电源，可为联机的外围配备提供电力，有些配备甚至全部的电力都是来自USB总线。这样的供电架构，对于一些电力有限的小型便携设备而言，会造成难以管理的负担。


图二　理想的联机架构
我们真正需要的，是一种能让便携设备直接互连的联机方式。举例来说，我们可能希望如图二a所示，比照标准的USB架构，将数字相机直接联机到个人计算机，上传相片图档。也可能希望如图二b所示，将数字相机直接联机到打印机，不需要透过计算机主机，即可直接打印相片。


USB的多项优点，一定有办法能克服上述的缺点，使USB能实际应用于便携设备之中。
USB OTG出马　问题迎刃而解


USB难题的解决之道终于问世。USB标准规格于2001年12月增订USB OTG（USB On-The-Go）规格，解决了便携设备的建构需求，其内容包括：制订体积较小的接头规格，而且相同的接头可用于主控模式及外围模式，另外还制定一套新协议，可让两个装置协商何者扮演主控角色、何者扮演外围角色。新规格的供电需求量较低，使得电源节约模式的功能也有所改良，另外还增添了几项限制，以降低软件常态运作的负荷。OTG虽然有了这些新功能，但还是和现有的USB规格完全兼容。接下来，本文将针对这些新功能一一详细介绍，并探讨这套新规格对于系统设计所带来的影响。


新式接头
在USB规格的机械性改良方面，主要是增添了几款新型接头，针对既有的A型接头及B型接头，这次新增了Mini-A和Mini-B接头与插槽，以及一种Mini-AB型插槽。这些接头与插槽，体积比原先的USB规格小了很多。


图三　Mini-A接头与标准A型接头的横断面比较图
　 　


图四　Mini-B接头与标准B型接头的横断面比较图


Mini-AB插槽适用于双模式装置，既可扮演主控角色、亦可扮演外围角色的装置。另外还有一个ID接脚，这个接脚在标准的USB接头中并不存在，在Mini-A接头则用于短路接地，在Mini-B接头则处于断接状态。双模式装置利用这个ID接脚来判断目前连接的是哪一种接头，并以此决定预设的角色。
新通讯协议
OTG增订规格中最重要的变革，即为扩充了原先的USB协议，提供更严谨的电源管理功能，并允许电子装置担任主控角色或外围角色。而这些革命性的功能将讨论如下。


双模式装置（Dual-Role Device）
「双模式装置」即为可担任主控角色、亦可担任外围角色的电子装置。除了要符合USB 2.0标准的所有要求之外，双模式装置还必须提供有限的主控功能，并支持「通讯请求协议」（Session Request Protocol；SRP）以及「主控协商协议」（Host Negotiation Protocol；HNP），而且应具备单一Mini-AB插槽。此外，这种装置必须要能传送讯息给用户。当双模式装置处于主控模式运作时，VBUS只需要供应8mA的电流，这个规格有别于标准USB主控端的100mA或500mA要求。


主控协商协议（Host Negotiation Protocol）
USB本质上属于一种主从架构协议，总线上所有的数据传输，都是由主控端来启始。当双模式装置连接Mini-A插头时，该装置默认为担任主控角色；如果连接Mini-B接头，则默认为担任外围角色。如果用户想把双模式装置从主控模式切换为外围模式，并不需要拔除连接线再重新插入，OTG规格定义了一种主控协商协议（HNP），透过这个协议，原先联机时默认为外围模式的双模式装置，可请求成为主控端。


HNP协议进行时，A装置必须先透过OTG规格所新定义的Set Feature request，启动B装置的总线控管功能，一旦启动之后，B装置就可以在A装置允许的状况下，操控总线的运作。当A装置想让B装置成为主控端时，首先A装置会停止所有的数据传输，使总线暂停，接着B装置可降低D＋线路至低位准，产生一个断线讯号（disconnect），然后A装置会启动其数据线路的上拉电阻（pull-up resistor），完成运作模式的切换。切换之后，B装置就可以担任主控角色，而A装置则以外围模式响应。


如果B装置想要将主控权归还A装置，可以暂停总线，并启动本身的D＋上拉电阻，A装置感测到之后，会停止本身的D＋上拉电阻，并恢复成主控模式运作。请参阅(图五)的HNP示意图。




图五　HNP示意图
两个互相连接的双模式装置，可以透过HNP交换主控端角色。图五显示A装置与B装置逐步执行HNP时，D＋线路的讯号活动。




(1)A装置停止数据传输，使总线暂停。


(2)B装置感应到总线暂停，停止本身的上拉电阻，A装置端的下拉电阻将D＋拉至低位准。


(3)A装置侦测到断线状态（disconnect），启动本身的D＋上拉电阻。


(4)B装置侦测到D＋升高，认定为联机状态，进入主控模式，接着将A装置列为本身的外围装置，执行USB重置（USB Reset）。


(5)总线恢复数据传输，由担任主控端的B装置加以操控。


(6)当B装置决定放弃总线控制权时，会停止数据传输，使总线暂停。


(7)A装置感应到总线暂停，停止本身的上拉电阻。


(8)B装置感应到D＋降低，重新启动本身的上拉电阻。


(9)A装置进入主控模式，并将B装置列为外围，执行USB重置。总线恢复数据传输，再度由A装置担任主控端角色。


通讯请求协议（SRP）
典型的USB系统，主控端在处于运作状态时，USB VBUS必须随时提供5V的额定电压，以及最少100mA的电流。这样的供电需求对于连接到电源插座的主机而言，当然没有问题，但对于手机之类的小型装置，就无法负荷这样的耗电量。为了节约电源，延长电池供电寿命，OTG规格允许OTG主控端（A装置）在总线不传输数据时，可将VBUS关闭。SRP协议可让担任外围的B装置请求A装置重新启动VBUS，开始另一次的通讯阶段（session）。


当前一次通讯阶段已终止2ms之后，B装置可以随时启动SRP协议。SRP协议启动时，B装置会进行「数据线路脉冲」以及「VBUS脉冲」，数据线路脉冲是将数据线路的上拉电阻（全速装置位于D＋，低速装置位于D－）启动5ms到10ms，VBUS脉冲是将VBUS轻微地驱动（足以将低负载量的OTG线路拉到至少2.1V，但不足以将负载量更高的典型线路拉到2.0V）。


A装置一旦侦测到数据线路脉冲或VBUS脉冲，就会启动VBUS，开始另一次的通讯阶段。当A装置判断总线上已经没有数据需要传输，就会将VBUS关闭，结束本次的通讯阶段。请参阅(图六)的SRP示意图。


注：通讯请求协议（SRP）
图六　SRP示意图
USB OTG主控端可切断总线的供电，以节约本身的电源。所连接的外围装置可使用SRP协议，要求主控端重新启动总线。本图显示VBUS的讯号活动以及上拉之后的资料线路（全速及高速装置位于D＋，低速装置位于D－）。




(1)A装置停止数据传输，暂停总线。


(2)A装置关闭VBUS以节约电源。


(3)资料线路脉冲：VBUS低于通讯有效阀值以下，而且D＋与D－皆处于低位准2ms之后，B装置可启动数据线路的上拉电阻，启始资料线路脉冲。


(4)B装置的上拉电阻保持启动状态5到10ms之后解除。


(5)VBUS脉冲：B装置将VBUS稍微驱动，达到能将低负载量OTG总线的VBUS提高到2.1V以上，但不足以将负载量更高的典型USB总线提高到2.0V的程度。


(6)B装置完成VBUS脉冲之后，解除VBUS讯号。


(7)A装置重新启动VBUS，响应SRP协议。


(8)B装置侦测到VBUS讯号，重新启动本身的上拉电阻。


(9)A装置执行USB重置，开始另一个通讯阶段。


(10)总线恢复数据传输。


驱动程序支持
最后，驱动程序支持也是不可或缺的要项。掌上型装置和个人计算机主机不同，掌上型装置要安装新的驱动程序并不容易，也没有很多空间可储存驱动程序。有鉴于此，OTG规格要求所有双模式装置都必须要有一个目标外围列表（Targeted Peripheral List），列表中必须条列该装置所支持的外围装置，内容包含装置类别、制造厂商与装置型号。如果某个装置不在列表之中，则不保证可以搭配使用，也不需要特别支持。
设计考虑


OTG规格的目的，在于补充原有的USB核心规格，而非取而代之。个人计算机主机及标准外围配备完全无须更动。新制订的OTG功能只是针对具备主控端功能的便携设备，以及预计搭配双模式装置使用的外围配备，其中尤以前者为重。
绝大多数的USB核心规格，均适用于标准USB装置及OTG装置。整套USB核心规格长达622页，相较之下，OTG增订规格只有74页，而且其中将近三分之一是技术图。OTG增订规格只是提供切换主从角色以及协商通讯阶段所需的通讯协议，至于通讯阶段开始之后，主控端与外围装置的通讯方式，则完全没有更动。
除此之外，OTG增订规格还制订一系列的功能，但OTG兼容装置并不需要将这些功能全数建构。举例而言，如果一个装置只担任外围角色，则该装置只需要支持SRP协议，而预设组态的耗电量不超过8mA即可。外围装置要添加SRP功能并不费事，只要能执行VBUS脉冲（将一个驱动器透过电阻器连接到VBUS），并将电路逻辑稍微增改，即可建构SRP协议功能。
相较之下，双模式装置的设计则难度较高，因为双模式装置必须具备下列功能：




●有限的主控端功能
●当作外围装置时，可全速运作（高速模式为选择性）
●当作主控端时，可全速运作（低速及高速模式为选择性）
●目标外围列表
●通讯请求协议（SRP）
●主控协商协议（HNP）
●只能有单一Mini-AB插槽
●VBUS最少要能输出8mA
●要能传送讯息给用户
与标准USB外围配备相较之下，这些功能需要用到模拟逻辑（VBUS的驱动与控制功能、VBUS的位准感应逻辑），以及数字逻辑（主控端功能、SRP及HNP协议的支持），还要用到软件功能（目标外围列表中各项装置的驱动程序）以及系统功能（传送讯息给用户）。


因此，单纯作为外围的OTG装置，在设计上只比标准USB外围装置稍微困难一点，但是双模式装置的设计，则比标准外围装置要复杂得多。


由于复杂度高，产品设计的难度与进度自然受到影响，影响的程度主要取决于产品的类型、设计的启始点（修改现有的设计，或从头全新设计）、零组件的供货状况，以及所采用的设计方法。


要设计这些产品的USB功能，和设计一般的标准USB系统一样，可以采用下列三种方式之一：


●采用完整的解决方案
●采用USB微控制器
●设计一款自定义式IC


当然，所采用的方案愈完整，USB接口设计起来就愈简单，而也应考虑一般产品设计所需考虑的系统弹性、成本、适用性、设计时间、所需人力等要素。预料在未来数年内，OTG双模式装置的设计难度与风险将会大幅降低。而诸如独立式收发器（standalone transceiver）、内建OTG功能的微控制器、IP逻辑区块（IP block）之类的套装组件，现在也开始纷纷上市。预计未来将有更多功能强大而完整的套装组件可供使用。除了上述的选择之外，OTG装置在设计上还要注意整体系统的考虑（例如：必须要能传送讯息给用户）。
最后要注意的一点就是测试工作。为了让使用者有优质的体验，OTG装置一定要测试是否完全符合标准规格，以及运作过程是否毫无瑕疵。产品的验证方面，一定要仔细评估、测试USB标准规格及OTG增订规格所定义的各项参数。在进行产品验证时，可先参考OTG兼容性规划书（OTG Compliance Plan）。
结语


OTG增订规格在经历完整的产业审核期之后，已于2001年12月18日发表最后完稿，其开发委员会的代表来自产业各个区间，因此这套规格已享有业界的广大支持，其中包括：接头制造商、IP厂商、芯片供货商、软件公司、以及器材制造商。由于OTG具有业界的广泛支持及参与，因此相关的套装组件及装置已经开始陆续上市，未来还有更多即将推出。


由于OTG规格已经发表，因此目前OTG委员会的工作重点在于相关的教育及推广。该委员会日前已经赞助了多场产业训练研讨会，地点涵盖美国、亚洲及欧洲，未来这样的研讨活动还将继续进行。


除此之外，OTG还有几个地方需要加强，有些辅助规格也正在开发之中。OTG委员会目前正在拟定OTG兼容性规划书（OTG Compliance Plan），其中制订了OTG装置的兼容性测试，以确保这些装置能符合规格要求。USB建构论坛（USB-IF）定期赞助的兼容性研讨会中，已经出现初步的兼容性测试。