USB OTG發展歷程

由於USB在一開始便被定位在電腦與周邊間相連接的一個介面，因此USB協會在制定USB的基本架構時選擇了主從式的架構，將較困難及較複雜的工作都交給主機（Host）端，也就是電腦。因此相對來說，USB裝置設計的複雜度就降低許多，廠商也就願意也較容易設計USB介面的裝置。再加上USB具有隨插即用的特性，使得USB裝置的便利性大幅提昇。另外Microsoft的大力支持，將許多USB設備的驅動程式內建在系統中，讓使用者可以真正享受到隨插即用的便利性。例如USB鍵盤及滑鼠，不需要使用廠商所提供的驅動程式，就可以使用鍵盤及滑鼠的基本功能。

基於以上的幾個原因，有越來越多的周邊設備採用USB作為和電腦連結的介面。而其中有部分的USB設備面臨到傳輸速度不足的問題，於是USB協會繼USB 1.1後又制定USB 2.0的規範，以彌補USB 1.1在傳輸速度上的不足及一些原先未設想到的缺陷。在USB 2.0的規範中新增了高速傳輸（High speed transfer）的定義，傳輸速率為480 Mbps，大幅度的提昇USB的傳輸速度。在USB 2.0規範加入後，USB介面在電腦周邊的應用上已經可以說是相當完備了。

在越來越多的USB裝置出現後，漸漸有部分裝置想要脫離電腦的管束互相連結，例如數位相機和印表機的連結。但是USB舊有的架構限制了USB裝置間連結的可能性。在USB的架構中說明了，必須有一端要當主機，所以當兩個USB裝置碰在一起，沒有任何一端可以做主，因此便沒有辦法連結。對此，USB協會又推出了USB OTG的規範來彌補這樣子的缺陷。USB OTG是USB On The Go的縮寫，在這裡「Go」是棋盤的意思，取其意為在棋盤上任一條經線和緯線都可以找到相連的點。這也意味著，USB協會期待在USB OTG規範之下，任兩個符合規範的OTG裝置都可以互相連結，而不需要透過電腦。

USB OTG簡介

USB OTG並不是一個獨立於USB 2.0存在的規範，所有在USB OTG中未提到的事項都必須以USB 2.0的規範為準。因此USB OTG存在的目的僅在於提供一個方式，讓兩個USB裝置得以連結。USB OTG 1.0中提到一個具備雙重角色裝置（Dual-role device）的概念。就是說一個OTG的裝置，可以當主機，也可以當設備端。如此一來，當兩個OTG裝置遇上的時候，就可以由其中一方當作主機，另一方當作設備端。就可以完全符合USB對兩個裝置相連的需求了。除此之外，OTG的裝置還必須具備以下的特性：

• ●有限的主機功能；





• ●當設備端時必須支援全速傳輸；





• ●當主機端時至少要支援全速的USB設備，但不強制要求支援高速或是低速設備；





• ●可連結設備的清單；





• ●必須告知使用者傳輸的狀態；





• ●至少能提供8mA的電源給設備端；





• ●支援SRP（Session request protocol）；





• ●支援HNP（Host negotiation protocol）；





• ●僅能有一個且唯一的一個Mini-AB插座。（目前USB協會正在研議這一項限制，未來可能會有改變。）

以下針對上述項目作進一步的解釋。

可連結設備的清單

當OTG裝置成為主機端時，並沒有辦法真的支援所有的USB裝置，因此在道義上OTG裝置必須將其所支援的設備清單列出，以利消費者選擇可連接的設備。

不允許未告知使用者的錯誤狀態或是動作

當OTG裝置在使用時，必須將目前狀態讓使用者知道，尤其是以下三種狀況：在OTG裝置成為主機端時，連結的設備不支援；B-device開始SRP的動作；B-device完成SRP的動作後，A-device未回應。

電源供應

當OTG裝置成為主機端時，至少必須供應8mA的電源給設備端。OTG裝置成為設備端時則不需供應電源，但也不能從Vbus汲取超過8mA的電源。

SRP

為達到省電的目的，當OTG裝置成為主機端時，可以將Vbus的電源切斷，以節省電源。SRP則是提供一個機制讓設備端告知主機端重新提供電源，並且恢復在USB線路上的相關活動（例如傳送SOF或是IN token），以利設備端傳輸資料。

HNP

當兩個OTG裝置相連結時，由於兩個裝置都有當主機端的能力，所以會先由連接兩個裝置的纜線（Mini-A plug to Mini-B plug）決定哪一個裝置（連接Mini-A plug的裝置）在一開始的時候扮演主機（A-device）的角色，另一裝置則是扮演設備端（B-device）的角色。當兩個裝置經由纜線結合在一起之後，若是想要互換角色，則必須經由HNP所定義的訊號溝通過之後，才可以互換角色。

接頭及插座

USB 2.0規定可以使用的接頭及插座包括：Standard-A接頭（plug）及插座（receptacle）；Standard-B接頭及插座；Mini-B接頭及插座。OTG 1.0新增加的接頭及插座：Mini-A接頭及插座；Mini-AB插座。

連接線

USB 2.0規定可以使用的連接線包括：Standard-A接頭對Standard-B接頭；Standard-A接頭對Mini-B接頭；連到裝置的Standard-A接頭連接線，例如滑鼠上面附的連接線。OTG 1.0新增加的連接線有：Mini-A接頭對Standard-B接頭；Mini-A接頭對mini-B接頭；直接連到裝置的Mini-A接頭連接線。

接頭外觀

OTG 1.0詳細規定每一種接頭的大小及形狀甚至是顏色，例如Mini-A接頭的外觀是橢圓形，顏色是白色；Mini-B接頭的外觀是長方形，顏色是黑色，以利使用者辨識。

轉接頭（Cable adapters）

OTG 1.0規定可以使用的轉接頭包括：Mini-A 插座對Standard-A接頭；Standard-A 插座對Mini-A接頭。

Hubs

OTG裝置可以支援Hub。因為OTG相當強調是一個點對點的連接，因此當一個OTG裝置接上Hub後，Hub本身的功能可以正常工作。但若想要在Hub之下再接其他的裝置，就可能會有問題了，因為這樣一來就不再只是一個點對點的連結了。但是在OTG的規範中並未明確規定不可以這樣做。

A-device vs. B-device

USB OTG並沒有規範額外的通訊協定來讓兩個OTG裝置相連結。OTG所規範的是當兩個OTG裝置相連結時，可以由其中一裝置來當主機，另一裝置當設備。這和原來的電腦對周邊的連結方式是一樣的，只是在OTG的概念提出之前，所有的裝置只能夠當成是設備端。

當兩個OTG裝置相連結時，在USB原有的架構中並沒有提供這兩個裝置決定誰當主機端的方式。因此OTG便新增加了Mini-AB的插座及Mini-A、Mini-B接頭，以利OTG裝置決定要當作主機端或是設備端。新增加的Mini-AB插座可以允許使用Mini-A及Mini-B兩種接頭插入。在Mini-A及Mini-B接頭中均新增一個訊號ID，在Mini-A接頭中ID必須連到USB的地線（GND）上，而在Mini-B接頭中則必須是斷路。

所以若是Mini-A接頭插入OTG裝置，ID就會是低電位，此時這個OTG裝置被稱為A-device，而且在初始的時候必須成為主機端。若是Mini-B接頭插入OTG裝置，則該OTG裝置被稱為B-device，並且要設定成為設備端。因此兩個OTG裝置的連結必須透過Mini-A接頭對Mini-B接頭的連接線，以便在一連上的時候決定哪一邊作為主機端。當連結建立以後，這兩個OTG裝置可以藉由HNP的協定來轉換主機／設備的角色。

SRP（Session request protocol）

因為大多數的OTG裝置都以輕巧可以隨身攜帶為訴求，因此為了達到省電的目的，OTG裝置的主機端可以將Vbus的電源切斷，以節省電源。但是在USB原有的架構中，並不允許設備端主動提出任何的要求，因此OTG便定義了SRP的協定，提供設備端主動要求開始作資料的傳送的能力。例如：OTG數位相機連結OTG印表機時，假設此時印表機為主機端，且進入省電模式並將Vbus的電源切斷。此時若是使用者想要將數位相機上照片印出來，數位相機就可以透過SRP向印表機提出要傳資料的需求，就不需要再對印表機作操作了。印表機在回應了來自數位相機的需求後，就可以開始向數位相機要資料來列印了，但是在傳送資料的過程中，一切還是由主機端（印表機）來控制。

SRP中的「Session」是指在Vbus上的電壓超過有效電壓值（Session valid threshold）的期間。對A-device來說VA_VBUS_VLD必須落在2.0～0.8V之間，B-device VB_VBUS_VLD則必須落在4.0～0.8V之間。一個Session的結束則是由設備端（並不一定是B-device）來辨識，當Vbus上的電壓小於0.8V時，就可以視為一個Session的結束。當上一個Session結束後，設備端才有權利再向主機端要求重新開始另一個Session。當然主機端也握有主動開始一個新的Session的權利。

《圖一　SRP sequence of events》

HNP（Host negotiation protocol）

考慮以下的情形，當兩個OTG裝置（裝置一和裝置二）相連結時，假設裝置一不支援裝置二，裝置二可以支援裝置一。

• A-device B-device





• 狀況一 裝置一 裝置二 --> 告知使用者不支援裝置二





• 狀況二 裝置二 裝置一 --> 可以正常工作

因此當使用者把線接上裝置後，只有一種情形可以正常工作，這樣子會增加使用上的麻煩。因此，USB OTG又新增加了HNP的協定，讓主機端的角色可以在兩個OTG裝置間轉換。如此一來，在狀況一中雖然裝置一不支援裝置二，但是裝置一可以經由以下的步驟將主機的角色轉讓給裝置二，讓裝置二來主導資料的傳輸。

由A-device-->B-device

• 步驟一：A-device傳送SetFeature（b_hnp_enable）的命令（setup command）給B-device，告訴B-device將要成為主機端。





• 步驟二：A-device進入待命（Suspend）模式（和省電模式不同，並不把Vbus的電源切斷，只是停止在匯流排上動作（如傳送SOF））。如圖一中的事件。





• 步驟三：當B-device偵測到進入待命模式以後（>5ms），就可以將提昇電阻關掉，進入主機模式。對A-device來說，這相當於是一個B-device斷線的狀態。所幸HNP是由A-device主導，因此可以由A-device來區別這是斷線還是B-device進入等待A-device回應的狀態





• 步驟四：A-device由主機模式進入設備端模式，並且將提昇電阻打開（<3ms）。如圖一中的事件。這就相當於一個裝置插入主機端的狀況。如附圖一中的事件。到目前為止，A-device和B-device的角色就轉換過來了，由B-device獲得資料傳輸的主導權。

由B-device-->A-device

• 步驟五：B-device停止在匯流排上的動作，進入待命模式。如圖一中的事件。並且設定為設備端，將提昇電阻打開。如附圖一中的事件。





• 步驟六：當A-device偵測到進入待命模式後，會進入主機模式。如圖一中的事件。若是A-device並沒有要傳輸資料的話，則可以進入省電模式，切斷Vbus的電源供應。若是A-device還要傳送資料的話，就可以在USB Bus Reset（如圖一中的事件）後開始傳送資料。

《圖二　HNP sequence of events》

結語

USB OTG提供了一個讓兩個USB裝置連結的可能性，但是同時也提高了OTG裝置的在設計上的複雜度。原本要由電腦做的事情，現在都要落在當主機端的OTG裝置身上。因此，為了要對應不同的設備，就需要不同的驅動程式。原本USB裝置的製造商只要熟悉自己的產品就可以了，在加入OTG的概念後，就必須要對想要連結的設備有一定的了解。例如想做OTG數位相機來列印照片，除了數位相機的技術外，也需要了解印表機的設定及使用，而印表機的種類繁多，因此想要支援所有的印表機，可以說是一個遙不可及的夢想。所幸USB協會努力的推動各種不同裝置的標準。例如：人性化介面裝置（HID Class）、印表機裝置（Printer Class）、影像裝置(Still Image Class)、大量儲存裝置(Mass Storage Class)…等。如此便能夠使用相同資料格式，相同傳輸方式來傳輸資料。藉由這些不同裝置類別的規範，就有機會大大簡化在OTG裝置上對驅動程式的需求。OTG裝置只要能夠支援某一個類別，就可以支援符合該類別的所有設備。

（作者為巨盛電子專案經理）