USB OTG技术发展

 

　　USB是目前流行的有线电连接技术，但它是属于外围连接主机的架构，所以如果没有PC的话，其余外围装置将无法彼此沟通。如今，用户需要的是外围装置能够彼此直接连接，省去PC充当中介的角色，这在数字家庭网络中尤其重要。而USB On-The-Go (OTG) 正是要提供这样的解决方案。

　　技术挑战

　　USB OTG标准除了对装置做出新的定义(A装置是主机，B装置是外围)以外，也同时对移动装置的设计规格，提出了许多严格的规范。其中，电源的管理是最大的挑战，例如：USB OTG规定以电池供电的移动装置，必须能够利用普通的锂离子或锂高分子(lithium polymer)电池产生一个5V的电压。此外，它还定义了一个电压，用来监控和管理省电模式。

　　一个OTG装置的电源管理系统必须能输出一个4.4V～5.25V的电压，其电流至少要有8 mA。因此，对于大多数移动装置而言，其电压转换器(voltage converter)必须要能够将3V～4.2V的电压转换成4.4V～5.25V的电压。使用高效率的电压转换器，是维持电池寿命所必备的条件。

　　USB OTG也规定电压上升时间不能超过100 ms，以应付外围装置需求大量的电流。在这种情况下，A装置必须关闭VBus，并结束对话(session)。因此，电压转换器的开启(turn-on)时间最好能小于数ms。

　　OTG装置的互通，是靠四种电压侦测器(voltage detector)不断地侦测的大小，这四种侦测器的电压侦测范围分别是：(大于)4.4V、(0.8V至)4V、(0.8V至)2V、(0.2V至)0.8V。藉由和这四种电压范围，A、B装置就能够了解目前的通信状态。实作上，电压侦测器的无负载电流量(quiescent current)必须非常小，以达到省电的要求。尤其是2.0V的电压侦测器更需要如此，因为当A装置关闭总线时，它仍然可以透过此电压侦测器，知道有“对话请求通信协议(Session Request Protocol;SRP)”的信号来临。USB OTG也具有另一个USB没有的功能：B装置在省电模式下，它仍然可以叫醒。

　　当VBus未供电时，A装置在VBus上的电阻值必须只有40KΩ~100KΩ，并且VBus的泄漏电压值必须小于0.2 V。OTG装置的VBus去耦合电容值必须在1F～6.5F之间，但是标准的USB主机至少必须有96F。电容值如此规定的目的，是要让OTG装置的电容值(最大6.5F)与标准USB主机的电容值(最小96F)做一区分，电压侦测器必须将电容的充电时间考虑进去，以使两个6.5F的电容能实时充电超过2.1V，这是两个OTG装置互相连接时所必需的;而OTG装置和标准的USB主机互相连接时，96F+1F(1F是OTG装置所允许的最小电容值)的充电电压是维持在2V以下，因此，电压侦测器就可以辨别出要连接的对方是否是OTG装置或是标准的USB主机。这是很重要的，因为标准的USB主机并没有发送SRP信号的能力，双方的去耦合电容之充电电压维持在2V以下，在此情况下，VBus的逆向电流不至于损坏USB主机。

　　OTG装置是可以直接使用电压转换器，来提供VBus脉冲信号。但是，这种方法会浪费掉功率。比较好的方法是使用电流源，因为它不需要考虑到电容的充电时间，简化了计时(timing)作业。电流源对电容充电，可以提供线性的电压锯齿(ramp)脉冲;相较之下，电压源对电阻电容(RC)充电时，会产生指数曲线，这不是VBus所要的理想脉冲。

　　USB OTG规定，在B装置可以开始发出SRP信号之前，在初始化条件中有一项是VBus必须小于0.8V。为了要让VBus的电压准位能够迅速降低，加速SRP作业，可以藉由切换至一个下拉(pull-down)电阻来释放VBus的电能。不过，对此放电电阻的唯一限制是，它的电流不能超过8 mA，因为若超过8 mA，就等于OTG装置开机时的工作电流了。

　　与上述的硬件实体层挑战一样，OTG软件堆栈的挑战也很艰巨。其实，单纯的OTG软件主要仅包含OTG应用程序和驱动程序两种而已。但是，若OTG装置本身又兼具USB主机与外围的角色，那么像OHCI、UHCI、EHCI、类别驱动程序(主机端)、功能驱动程序(外围端)等标准的USB软件堆栈都必须具备才行。这是因为USB OTG是USB 2.0的补充标准，所以，国外软件厂商一般是以整套软件堆栈的方式来销售，如图1所示。

　　厂商的最近发展

　　目前投入USB OTG业者除巨盛外，尚有扬智，但巨盛研发的脚步最快，也是率先提供整合单芯片OTG控制芯片的IC设计公司。

　　巨盛电子和扬智科技是目前在***地区IC设计公司中，有公开推出USB OTG控制芯片的公司。巨盛于2003年2月发表的CSC1221 USB OTG控制芯片，可以实现硬盘和MP3的应用，并通过USB-IF的认证，取得USB OTG Logo。巨盛共推出三款OTG应用芯片，分别应用在数字相机、随身碟、随身硬盘、桥接器等计算机外设储存装置。巨盛原本是设计传呼器(pager)芯片，但是随着传呼器市场的没落，该公司积极转型，锁定USB相关芯片，与柏士 (Cypress)、飞利浦、创惟等公司抢夺市场大饼。

　　2004年4月扬智科技(目前已经被联发科购并)正式对外公布480 Mbps高速的支持PIO/DMA接口的USB 2.0 OTG控制芯片，型号M5636，如附图二所示。此芯片也通过了USB-IF和USB OTG的认证。

　　M5636具有低功率损耗和高整合度的优点。透过M5636的8/16位PIO/DMA接口，8/16位的微控制器(MCU)可以对外与其它的USB OTG装置通信，因此能够广泛地应用于各种数字移动装置中，这包含高阶扫描机、打印机、数字相机、数字摄录像机(camcorder)、多功能打印机(multi-function printer)、数字复印机、PDA、多媒体手机、可携式媒体播放机、网络和通信设备。

　　扬智最先是开发出一款能支持IDE接口的USB 2.0 OTG控制芯片，型号M5637。新产品—M5636—的推出将奠定该公司在多媒体外围市场的地位。不过，扬智自从被联发科购并以后，公司股价一蹶不振，这是否会影响到该公司未来在USB OTG技术的投资开发，值得继续观察。此外，创惟是很早就开发出USB 2.0控制芯片的国内IC设计公司，其标准的USB产品线很齐全，但该公司至今尚未推出与OTG相关的控制芯片来。

　　技术对策

　　如前面介绍的，USB OTG的模拟与混合信号技术门坎很高，在***地区IC设计业中，虽然有从事开发模拟与混合IC、电源IC的厂商，例如：立锜、富鼎……，但是，他们的产品都属于分散的独立组件，也分别拥有他们各自的智财权(IP)，无法对下游的OEM或ODM厂商提供完整的解决方案—系统级单芯片(SoC)。

　　针对这样的市场需求，2004年4月，联华电子(联电)与提供数字和混合信号，以及高速USB OTG IP的葡萄牙商Chipidea公司共同合作，将Chipidea的CI12323ul USB高速OTG实体层(PHY)IP核心，提供给联电的客户进行设计生产用。此IP已经通过联电0.13微米制程验证，在联电Gold IP方案中达到“银级”水准。

　　在此之前，Chipidea的USB OTG高速核心CI12295ug也已通过联电的0.18微米制程验证。CI12323ul USB OTG是一种能支持UTMI+的高速实体层IP，并且不管在主机、一般装置或兼具两种功能的应用设备上皆可使用。CI12323ul的开发套件包含所有的后端数据(GDSII，布局与布线摘要与计时信息)，以及一个仿真模型：包括快速启动的测试平台(testbench)和内容涵盖规格、测试、装配和生产的详细特性报告等文件。CI12323ul的核心面积为0.9平方公厘，而在高速传输模式下，最大电流消耗仅达47 mA，这对USB OTG设计商而言，算是不错的解决方案。

　　由于携带式消费性电子产品，在市场上的设计需要非常殷切，所以USB OTG设计业者对CI12323ul的IP核心很感兴趣。采用联电的经过验证之0.13微米制程平台的模拟与混合信号芯片设计者，可以透过联电的Gold IP方案取得Chipidea的USB 2.0 OTG IP核心。

　　目前有极少数的***地区IC设计业者，是向Mentor Graphics…等境外EDA公司购买开发工具，来自行开发OTG实体层IP核心;大多数是直接向类似Chipidea这样的公司购买完整的OTG实体层IP核心，再来开发自己的OTG控制芯片。至于OEM或ODM厂商则是向Jungo等境外软件公司购买USB OTG软件堆栈，且这些公司已经开始雇用少数的印度籍软件工程师在***地区工作。

　　结语

　　过度仰赖外商提供的IP核心，毕竟不是长久之计。不过，短期内，***地区并没有能够自行开发USB OTG实体层IP核心的厂商存在，也很难有类似Jungo这样的公司诞生，即使前面介绍过的巨盛和扬智，也都是借助于境外厂商所提供的工具和技术支持才能开发成功的。

　　2004年下半年，***地区电子业股市明显下跌，或多或少会影响到厂商们对开发新产品的意愿。此外，受到通货膨胀的威胁，展望2005年的消费性电子产品市场，是否仍能维持成长的趋势，也攸关着USB OTG芯片的成长。