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。行动电话、数位相机、PDA、MP3播放机等装置，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像的。

而这些功能强大的新型配备问世后，设计通讯协定、系统架构和硬体装置的工程师，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。

与可携式装置互相通讯的挑战

随着可携式装置的功能和资料容量的提高，使用者也开始希望能与其他可携式装置、非可携式装置互相共享资讯，但是掌上型装置的资料输入及资料显示较为不易，这个问题并不存在于个人电脑或其他高阶电子产品。可携式装置因为体积小，通常没有很实用而共通的人机介面，常常只有一个小萤幕以及数目有限的按键。这个严重的问题，使得这些装置的资料输入与存取，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。

可携式装置的另一个问题是必须要传输的资料量。以一台数位相机为例，其储存容量就可高达数百MB。此外，资料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电脑，下载原先储存的讯息；有时需要和其他手机连线，互传电话号码；或者需要和数位相机连线，上传所拍摄的相片；当然有时还必须连接到PDA，使用无线网路功能。

但是，手机之类的可携式装置体积太小，没有空间为各种连线类型提供专属的接头，而且可携式装置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，很多使用可携式装置的用户，并不熟悉太过于技术性的功能，所以厂商设计的资料传输方式，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、传输速率高的连线方式，使各种不同的电子装置能够彼此通讯且传输资料。

传统USB介面并非万能

通用序列汇流排（USB）介面，就是一种可行的连结方式。 USB介面在个人电脑已经相当普及，可连接滑鼠、键盘等简单配备，也可连接印表机、MP3播放机等较复杂的配备。过去三年以来全世界所销售的电脑，几乎每一台都有USB功能，目前用户所使用的电脑及周边配备，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，资料传输速率可达1.5 Mbps至480 Mbps。

但是，标准的USB连线需要一个主控端（host），这个主控端通常是个人电脑。如果我们想把一份储存在周边配备的资料，传输到另一个周边配备，唯一的方法是透过主控端来中介传输，详见(图一)。

图一 : 个人计算机与打印机、相机、PDA联机

〈注：标准的USB连线架构〉

标准的USB系统配置，是由个人电脑作为主控端，而其它的配备则作为周边，周边配备彼此不能直接互连，所有的资料必须透过主控端来中介传输。举例来说，如果我们想要将数位相机的照片列印出来，必须先将相片上传到主控端，再从主控端传送到印表机。

那么，为什么不在可携式装置里，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定，原先是设计给一个主控端搭配多个周边配备的应用方式，因此USB连线的操控管理，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，全部建构在一个可携式装置中，对于着重功能简便而专一的可携式装置而言，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周边配备的接头并不相同。

以可携式装置而言，有时候必须担任主控端的角色，例如数位相机传送相片给印表机。而有时候则必须担任周边配备的角色，例如数位相机将相片上传至桌上型电脑，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可携式装置之中，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，可为连线的周边配备提供电力，有些配备甚至全部的电力都是来自USB汇流排。这样的供电架构，对于一些电力有限的小型可携式装置而言，会造成难以管理的负担。

图二 : 理想的联机架构

〈注：数位相机连线示意图〉

我们真正需要的，是一种能让可携式装置直接互连的连线方式。举例来说，我们可能希望如图二a所示，比照标准的USB架构，将数位相机直接连线到个人电脑，上传相片图档。也可能希望如图二b所示，将数位相机直接连线到印表机，不需要透过电脑主机，即可直接列印相片。

USB的多项优点，一定有办法能克服上述的缺点，使USB能实际应用于可携式装置之中。

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，解决了可携式装置的建构需求，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周边模式，另外还制定一套新协定，可让两个装置协商何者扮演主控角色、何者扮演周边角色。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，以降低软体常态运作的负荷。OTG虽然有了这些新功能，但还是和现有的USB规格完全相容。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、亦可扮演周边角色的装置。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。

新通讯协定

OTG增订规格中最重要的变革，即为扩充了原先的USB协定，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周边角色。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、亦可担任周边角色的电子装置。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，并支援「通讯请求协定」（Session Request Protocol；SRP）以及「主控协商协定」（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使用者。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。

主控协商协定（Host Negotiation Protocol）

USB本质上属于一种主从架构协定，汇流排上所有的资料传输，都是由主控端来启始。当双模式装置连接Mini-A插头时，该装置预设为担任主控角色；如果连接Mini-B接头，则预设为担任周边角色。如果使用者想把双模式装置从主控模式切换为周边模式，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定（HNP），透过这个协定，原先连线时预设为周边模式的双模式装置，可请求成为主控端。

HNP协定进行时，A装置必须先透过OTG规格所新定义的Set Feature request，启动B装置的汇流排控管功能，一旦启动之后，B装置就可以在A装置允许的状况下，操控汇流排的运作。当A装置想让B装置成为主控端时，首先A装置会停止所有的资料传输，使汇流排暂停，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装置会启动其资料线路的上拉电阻（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装置则以周边模式回应。

如果B装置想要将主控权归还A装置，可以暂停汇流排，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HN​​P时，D＋线路的讯号活动。

通讯请求协定(STP)

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）在汇流排不传输资料时，可将VBUS关闭​​。 SRP协定可让担任周边的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协定。 SRP协定启动时，B装置会进行「资料线路脉冲」以及「VBUS脉冲」，资料线路脉冲是将资料线路的上拉电阻（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装置一旦侦测到资料线路脉冲或VBUS脉冲，就会启动VBUS，开始另一次的通讯阶段。当A装置判断汇流排上已经没有资料需要传输，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。

图六 : SRP示意图

〈注:通讯请求协定(STP)〉

USB OTG主控端可切断汇流排的供电，以节约本身的电源。所连接的周边装置可使用SRP协定，要求主控端重新启动汇流排。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－）。

驱动程式支援

最后，驱动程式支援也是不可或缺的要项。掌上型装置和个人电脑主机不同，掌上型装置要安装新的驱动程式并不容易，也没有很多空间可储存驱动程式。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周边清单（Targeted Peripheral List），清单中必须条列该装置所支援的周边装置，内容包含装置类别、制造厂商与装置型号。如果某个装置不在清单之中，则不保证可以搭配使用，也不需要特别支援。

设计考量

OTG规格的目的，在于补充原有的USB核心规格，而非取而代之。个人电脑主机及标准周边配备完全无须更动。新制订的OTG功能只是针对具备主控端功能的可携式装置，以及预计搭配双模式装置使用的周边配备，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定，至于通讯阶段开始之后，主控端与周边装置的通讯方式，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相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周边角色，则该装置只需要支援SRP协定，而预设组态的耗电量不超过8mA即可。周边装置要添加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协定功能。

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：

与标准USB周边配备相较之下，这些功能需要用到类比逻辑（VBUS的驱动与控制功能、VBUS的位准感应逻辑），以及数位逻辑（主控端功能、SRP及HNP协定的支援），还要用到软体功能（目标周边清单中各项装置的驱动程式）以及系统功能（传送讯息给使用者）。

因此，单纯作为周边的OTG装置，在设计上只比标准USB周边装置稍微困难一点，但是双模式装置的设计，则比标准周边装置要复杂得多。

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：

当然，所采用的方案愈完整，USB介面设计起来就愈简单，而也应考量一般产品设计所需考量的系统弹性、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）之类的套装元件，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元件可供使用。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量（例如：必须要能传送讯息给使用者）。

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相容性规划书（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援，其中包括：接头制造商、IP厂商、晶片供应商、软体公司、以及器材制造商。由于OTG具有业界的广泛支援及参与，因此相关的套装元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相容性规划书（OTG Compliance Plan），其中制订了OTG装置的相容性测试，以确保这些装置能符合规格要求。 USB建构论坛（USB-IF）定期赞助的相容性研讨会中，已经出现初步的相容性测试。

高功能、高容量的可携式装置，在大规模成长之余，也为通讯协定领域带来了新难题，而USB On-The-Go规格的问世，适切解决了这些难题。这套规格已经正式发表，预期将能成为新一代行动运算的推手。

（作者任职于Cypress Semiconductor）