2005-11-09 10:16:16葛螺絲

採用USB OTG控制與橋接晶片降低功耗和縮短產品上市時間

越來越多的非PC可攜式設備需要扮演USB主控端與USB週邊設備雙重角色,為實現這種應用模式,必須將OTG主控端功能嵌入到這些設備中。要達到這個目標,可將USB主控端或OTG IP嵌入至主控端CPU中,或重新設計系統的PCB,並加入USB OTG晶片功能(USB OTG控制晶片或USB OTG橋接晶片)。

現今的行動運算與通訊裝置大都搭載通用序列匯流排(USB)週邊連結功能,能與USB主控端進行通訊,USB主機端通常是個人電腦。但根據USB的規格,兩組週邊裝置無法直接相互通訊,也就是現今大多數USB系統必須配合PC才能使用。值得注意的是USB規格中並沒有限制性的要求,強制這種以PC為中心的使用模式。為突破這種限制,業界制定出USB On the Go(OTG)規格,讓兩個支援OTG規格的系統能直接進行通訊。OTG是USB 2.0的增補規格。OTG技術讓個人數位助理(PDA)能將文件直接輸出至印表機印出;讓MP3隨身聽能互傳檔案;照相手機能將影像直接送至印表機列印,以及其它眾多以往無法進行的應用模式。

有鑒於業界需要擴增現有USB裝置與週邊設備的功能,於是希望藉由USB OTG規格來補強現有USB裝置與USB週邊設備的功能,在裝置中加入主控端的功能藉此與USB週邊設備直接通訊。這將創造出一個‘緊密連結的USB裝置環境’,讓現今最普及的連結技術達到更理想的境界。

市場的趨勢顯示,使用者愈來愈需要行動裝置同時搭載USB主控端與USB週邊的功能,也就是所謂的雙重角色裝置,以便支援列印與大容量儲存的應用。為實現這些應用模式,OTG主控端功能被嵌入至非PC的可攜式設備。要達到這個目標,可將USB主控端或OTG智產(IP)嵌入至主機CPU中,或重新設計系統的印刷電路板(PCB),並將USB OTG晶片功能加入USB OTG控制晶片或USB OTG橋接晶片中。

除了硬體的變更之外,USB OTG要建置在可攜式USB嵌入型系統之前,還必須考量軟體與耗電率的因素。
單晶片USB OTG控制器方案為嵌入型系統與週邊裝置提供一套簡單的點對點連結方案。這種模式讓工程師能專注於系統層級的設計以及與USB晶片廠商合作,開發主控端中央處理器(CPU)的USB介面,並協助USB晶片廠商能提供軟體支援方案。

USB晶片廠商最為重視的就是特定作業系統平台的USB軟體支援。根據以往的經驗,USB軟體支援是最耗時費力的研發工作。 。
USB或USB OTG的軟體支援相當複雜:並非所有USB晶片廠商都有能力支援全套軟體,因為市面上有許多不同的作業系統。不同的行動電話製造商在其手機上使用不同的作業系統;例如像Linux、WinCE mobile、VxWorks、以及Nucleus等。

要解決支援不同作業系統的難題,其中一種方法就是透過模組化的技術,例如像Philips的FlexiUSB堆疊元件。這種堆疊能提供廣泛的平台支援,並針對各種嵌入型系統提供一套收錄完整類別趨動程式的元件庫。元件庫能迅速移植到即時作業系統(RTOS)以及各種尚未被支援的處理器。這種模組支援全速與高速USB OTG解決方案。在FlexiUSB堆疊中,OTG控制方面的應用編程介面(API)可直接被應用程式層所使用。

以電池供電的可攜式嵌入型USB系統,最重要的考量因素就是壓低耗電率。在以PC為中心的環境中,PC扮演主控端的角色,能為USB裝置與USB週邊設備供應電源。在內建主控端或OTG功能的雙重角色USB可攜式裝置中,USB裝置必須為USB週邊設備供應8mA的電源。此外,外部電源控制電路的大量耗電率的問題亦須克服。因此,OTG控制器必須儘可能降低耗電率並納入各種關鍵的省電功能。

市面上具備低耗電率與各種省電功能的晶片層級解決方案,包括像Philips的全速USB OTG解決方案ISP1362以及高速USB OTG解決方案ISP1761。這兩款晶片提供優異的效能,且USB控制器中內建有耗電管理電路與相關功能,能協助節省與延長電池的續航力。低待機電流以及Session Request Protocol (SRP)協定能在沒有USB匯流排作業時關閉Vbus,藉此節省耗電,並能讓裝置啟動USB匯流排的傳輸作業。

在建置一套單晶片USB OTG控制器時,設計者須考量要支援哪些介面:支援的介面必須相容於現今市面上大多數主控端CPU。例如,ISP1362與ISP1761具備支援直接記憶體存取(DMA)的原生型CPU介面,能支援大多數ARM、MIPS、以及各種精簡指令集(RISC)處理器。某些主控端CPU廠商亦針對這些USB OTG控制器推出參考設計方案。

包括可拍照手機在內的可攜式行動裝置,其關鍵容量持續增加,USB傳輸的流量亦隨之成長,故需要運用像是ISP1761這類高速USB OTG解決方案來滿足對於高速USB OTG功能的需求。在現今的市場,尚未有主控端CPU或基頻晶片組能提供高速USB OTG功能。
在主控端CPU中加入USB主控端或OTG IP,或擴增一組外部USB OTG晶片組,需要可觀的設計時間與投入軟體開發的工作,因此系統設計已被改變。由於晶片組的USB核心已被翻新以便支援USB OTG,因此現有的PCB設計亦須變更。此外,軟體亦須針對所有作業系統進行升級。

要避免這類繁複工作的一項方法,就是建置USB-to-OTG橋接晶片。橋接晶片徹底改變整個USB OTG的設計概念。Philips ISP1261運用Philips的軟體模擬OTG控制器(SEOC)協定,透過這套申請專利中的技術提升現有USB peripheral-only型方案的效能,其方法就是運用嵌入型USB週邊控制器的USB DP與DM線路或序列介面引擎(SIE)介面。在運用ISP1261後,不須再運用大多數USB OTG控制器一樣運用16位元平行匯流排作為與主控端CPU之間的傳輸介面。這種模式可大幅降低重新設計的工作量,加快最終產品的上市時程,創造出體積更小的印刷電路板。

要滿足現有USB單純週邊型解決方案的最低需求,可運用ISP1261USB-OTG橋接器建置出解決方案:支援Control-In與Control-Out端點;支援64位元的Bulk-In與Bulk-Out端點。這些都是市場上大多數USB週邊設備硬體具備的公共特性。

對於搭載整合型USB收發器的USB週邊裝置而言,可選擇DP與DM介面,不然就是選擇支援USB收發器的SIE介面。業者需要執行的工作就是連結這些介面。所有硬體變更都已完成-其餘的就是軟體方面的工作。系統軟體需要配合OTG堆疊進行升級,SEOC協定層亦須進行移植,作為現有USB週邊硬體與USB軟體之間的介面層。

現有的硬體設計幾乎不需要改變,僅須將ISP1261加入現有的印刷電路板的設計。ISP1261可用來作為作為外部dongle裝置,因為現有產品其PCB已設計完成,且最終產品必須儘快問市。外接式dongle可使用裝置或電池的電源。

設備製造商開始看到搭載有限主控端或OTG功能的USB裝置所發揮的真實優勢以及潛在的商機。市面上已出現支援主控端/週邊功能的雙重角色可攜式娛樂裝置,例如像是MP3隨身聽。在今年底之前,我們將在市場上看到搭載USB主控端或OTG功能的行動電話。

搭載1百萬像素相機的行動電話從USB規格升級至USB OTG,可直接從印表機印出相片;將資料傳送至大容量儲存裝置;以及將相片傳送至數位相機(DSC)或另一隻行動電話。這些都是USB OTG讓生活更簡便、更有樂趣的實例。