嵌入式系統設計中的USB OTG方案

与PC系统相比，设计工程师在嵌入式系统中实现USB将面临很多挑战和局限性，包括功耗、PCB面积、CPU处理能力等。本文以TD1120为例，分析了嵌入式应用中USB OTG控制器的功能特性，以及基于TD1120的软体实现。
行动设备和嵌入式市场的爆炸性成长促进了透过公共标准介面在不同设备之间进行方便的数据共享需求的成长。通用串列介面(USB)的广泛应用稳固了其作为业界标准介面的地位，已经成为嵌入式系统I/O连接的实质标准。USB的成功和流行归功于其具有热拔插和随插即用的易用性能。USB从最初导入PC，到目前已经迅速扩展到非PC的应用，包括行动嵌入式系统。今天嵌入式系统生产商的问题已经不是在产品中实现USB，而是如何最佳地将USB性能整合到产品中，以大幅提升产品的连接性能。

在嵌入式应用中实现USB并不那么简单，与PC系统相比，设计工程师将面临很多挑战和局限性。如果USB实现的规划很好，将简化并加快把USB整合到终端产品的工作。这其中涉及关于根据终端产品的USB应用情况进行的系统层面决策，产品特性和性能要求的权衡的不同将影响到USB功能性的恰当实现。

图1：USB软体与作业系统的上层关系图。

 
USB2.0与OTG

USB2.0规范是USB1.1的演进，采用一个高速介面使系统生产商能推出具有相同易用连接优点的高性能产品。USB2.0支援高达480Mbps的高速数据传输，并且与USB1.1规范后向相容，而后者仅支援全速的12Mbps和低速的1.5Mbps。

USB OTG是USB2.0规范的补充，结合了对行动应用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接头以及在相同的USB埠上增加了双重角色的功能(作为主机和周边的功能)。OTG透过在没有电脑的情况下，相互之间对等连接使传统的只能作为USB周边的行动产品的性能和连接性得到扩展。

OTG控制器

TD1120是TransDimension的第三代OTG控制器，针对可携式媒体播放器(PMP)、智慧型电话、个人数位助理(PDA)、可携式视频录影机(PVR)、数位相机和多功能印表机等进行了最佳化。TD1120使得些产品能扩展其应用，既可以当作全速USB主机作业或高速周边，又能同时执行两种功能。

数据内容量的增加和要求高频宽的应用(例如大数据文件的传输)推动了高速周边连接需求。TD1120能实现高速数据传输，减少像连接到PC这样的USB主机时大量数据内容(图形文件)的传输时间。当在主机模式时，TD1120使系统能连接到更宽范围的USB周边，例如大容量储存设备、键盘、滑鼠、印表机以及数位相机。在全速下功耗较低，能延长系统电池寿命。

对于多功能印表机，TD1120提供了一种将印表机升级到具有USB主机功能和周边连接特性的一种具有成本效益的方法。高速USB周边控制器提供从印表机到PC的连接，同时全速主机控制器能支援PictBridge功能，这样用户就可以将数位相机连接到具有PictBridge的印表机，实现照片直接列印。

PC环境通常具有高性能的CPU，这个CPU具有充足的记忆体、功率预算以及PCB空间。然而，在嵌入式应用中，由于产品设计的要求，这些资源是非常有限的。要恰当地实现USB功能特性，需要认真的产品规划和系统层面的考虑，这需要从USB应用、特性和性能要求以及权衡这些选择对嵌入式处理器、作业系统(OS)和USB软体堆叠的影响的判断能力。

相对于需要分别用来支援高速周边计和全速主机功能两个USB控制器的双晶片实现来说，TD1120提供USB设计灵活性、低功耗、大幅节省PCB空间并缩短系统开发周期的方案，这些都是工程师的主要关注的，这些好处同样也转换为系统成本的节省、加快客户产品问世时间。

TD1120允许多埠配置、同时的主机和周边作业以及灵活的作业模式。支援以下埠配置：双埠，一个OTG埠加标准的全速主机埠；三埠，两个全速主机埠和一个高速周边埠。Mini-AB插座用来作为OTG埠(OTG埠具有双重角色功能)。OTG埠可以配制成主机埠或周边埠，取决于插入Mini-A或Mini-B插头时所检测到的ID管脚。如果插入的是Mini-A插头(ID管脚短路)，埠配置为主机，当Mini-B插头插入(ID管脚浮置)，则埠配置为周边。

TD1120整合了一个晶片上高电流充电泵，可以支援高达100mA的电流，这样可以支援很多种USB设备，包括键盘、滑鼠、随身碟，这样就不存在需要外部充电泵的问题。此外，还整合了锁相环(PLL)来支援外部晶振或12MHz和30MHz晶振实现额外的系统灵活性。

图2：TransDimension的第三代USB
OTG控制器TD1120架构图。
 
采用TD1120在全速主机模式下功耗低于40mA(最大)，全速周边作业时最大为80mA。TD1120整个晶片支援功率节省模式，包括主机控制器以及周边控制器的延缓模式以使功率消耗最小化，延长系统电池寿命，对于行动设备来说，电池寿命是很关键的性能。

介面性能表现

USB数据传输速率高度依赖于系统平台。对速率的期望要现实而适当，因为有很多因素会影响到系统的数据吞吐量，包括CPU处理能力、CPU的利用率、OS储存系统汇流排存取时间、USB控制器、系统应用程式、软体和协议开销等。采用400MHz处理器的嵌入式系统不能与4GHz CPU的USB速度相提并论，后者在高速模式下可以达到200Mbps的吞吐量。

TD1120设计实现了硬体处理调度和传输层协议，包括实现高效能数据转换、重试和频宽管理。当出现传输错误或者设备还没有准备接收传输时，将发送设备否定应答(NAK)。NAK是影响性能和系统的重大因素，TD1120则减小了这些影响。当主机与周边之间出现大量数据传输情况时，大量列表结构(Bulk list structure)经过记忆体映射到TD1120的主机控制器，所有因为USB设备NAK而产生的重试以及传输描述符(TD)都在硬体内部处理，而不需要对系统汇流排的持续存取，这样减少了中断并降低了对CPU的占用。

TD1120的高速的周边控制器实现了像连接到PC这样的主机的性能，减少了传输大量数据内容的时间，因而大幅提高了透过高速周边控制器的吞吐量，提升了用户体验。TD1120支援两个与外部直接记忆体存取(DMA)主机介面的从DMA通道，这样可以在没有CPU干涉的情况下实现从或到外部记忆体或设备的度高频宽数据传输，减少对系统CPU的占用。然而，必须注意仔细调整CPU的外部记忆体存取时间，以严格匹配外部USB主机控制器的时序要求，从而提高系统性能。

软体支援

软体在实现USB功能方面扮演了主要的角色。用于驱动控制器的必要软体可能很复杂。除了硬体之外，选择适当的OS和USB堆叠方案是USB实现的关键。支援TD1120的软体可以从TransDimension的SoftConnex软体套件得到，很多的即时作业系统(RTOS)都支援该软体堆叠，该软体套件提供完整的嵌入式USB方案的软体堆叠和驱动程式。

嵌入式系统领域采用了大量的即时作业系统。本身带有USB主机和周边堆叠支援的作业系统在市场上并不多，如WinCE或Linux。对这些本身就带有USB堆叠的作业系统，TransDimension支援主机和周边低阶控制器驱动程式来与USB协议层介面。协议堆叠负责协议管理和调度功能，包括处理随插即用特性以便告知系统新插入的设备，并管理频宽以及其他与USB相关的资源。

对于其他本身并不带USB堆叠的作业系统来说，TransDimension可以透过向客户发放授权的形式让客户使用TransDimension的软体堆叠和驱动程式实现USB主机、周边或OTG功能，并将其配置到很多种作业系统和CPU。模组化的软体架构能实现灵活的产品设计，系统设计工程师可以轻易地从主机或/和周边设计转到OTG方案上。

此外，TransDimension还提供可携主机控制器驱动程式(HCD)以及周边控制器驱动程式(PCD)。开发商可以轻易地将驱动程式移植到多种USB主机和周边软体堆叠、作业系统、处理器和硬体平台中。可携HCD和PCD提供设计工程师低阶的应用编程介面(API)驱动程式来开发他们自己的USB方案，而可以不管TD1120是如何工作的细节。

可携式HCD和PCD提供简单的API使用户撰写独立的USB应用程式，以及将驱动程式连接到现存的USB堆叠，并实现特定应用软体。当要求更多特性的应用，如支援大容量储存，而内部开发能力和资源受到专案时间的限制，采用授权软体产品可以提供最快的产品上市方案。

记忆体映射介面
16位元数据汇流排允许直接连接到大多数微处理器

同时作业
主机和周边控制器实现允许同时作业

露活的埠配置
允许多个埠配置，支援多达3个埠

作者： Paul Liu
产品行销总监
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TransDimension公司