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　　與PC系統相比，設計工程師在嵌入式系統中實現USB將面臨很多挑戰和局限性，包括功耗、PCB面積、CPU處理能力等。本文以TD1120為例，分析了嵌入式應用中USB OTG控制器的功能特性，以及基于TD1120的軟件實現。

　　移動設備和嵌入式市場的爆炸性增長促進了通過公共標準接口在不同設備之間進行方便的數據共享需求的增長。通用串行接口(USB)的廣泛應用穩固了其作為業界標準接口的地位，已經成為嵌入式系統I/O連接的事實標準。USB的成功和流行歸功于其具有熱拔插和即插即用的易用性能。USB從最初引入到PC，到目前已經迅速擴展到非PC的應用，包括移動嵌入式系統。今天嵌入式系統生產商的問題已經不是在產品中實現USB，而是如何最佳地將USB性能集成到他的產品中去，以大大地提升產品的連接性能。

　　在嵌入式應用中實現USB并不那么簡單，與PC系統相比，設計工程師將面臨很多挑戰和局限性。如果USB實現的規劃很好，將簡化并加快把USB集成到終端產品的工作。這其中涉及到關于根據終端產品的USB應用情況進行的系統層面決策，產品特性和性能要求的權衡的不同將影響到USB功能性的恰當實現。

　
　
　　
圖1：USB軟件與操作系統的上層關系圖

　　USB2.0與OTG

　　USB2.0規范是USB1.1的演進，采用一個高速接口使系統生產商能推出具有相同易用連接優點的高性能產品。USB2.0支持高達480Mbps的高速數據傳輸，并且與USB1.1規范后向兼容，而后者僅支持全速的12Mbps和低速的1.5Mbps。

　　USB OTG是USB2.0規范的補充，結合了對移動應用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接頭以及在相同的USB端口上增加了雙重角色的功能(作為主機和外設的功能)。OTG通過在沒有計算機的情況下，相互之間對等連接使傳統的只能作為USB外設的移動產品的性能和連接性得到擴展。

　　OTG控制器

　　TD1120是TransDimension公司提供的第三代OTG控制器，并針對便攜式媒體播放器(PMP)、智能電話、個人數字助理(PDA)、便攜式視頻錄像機(PVR)、數字相冊和多功能打印機等進行了優化。TD1120使得這些產品能擴展其應用，既可以當作全速USB主機操作或高速外設，又能同時執行兩種功能。

　　數據內容量的增加和要求高帶寬的應用(例如大數據文件的傳輸)推動了高速外設連接需求。TD1120能實現高速數據傳輸，減少像連接到PC這樣的USB主機時大數據內容(圖形文件)的傳輸時間。當在主機模式時，TD1120使系統能連接到更寬范圍的USB外設，例如大容量存儲設備(U盤)、鍵盤、鼠標、打印機以及數碼相機。在全速下功耗較低，能延長系統電池壽命。

　　對于多功能打印機，TD1120提供了一種將打印機升級到具有USB主機功能和外設連接特性的一種具有成本效益的方法。高速USB外設控制器提供從打印機到PC的連接，同時全速主機控制器能支持PictBridge功能，這樣用戶就可以將數碼相機連接到具有PictBridge的打印機，實現照片直接打印。

　　PC環境通常具有高性能的CPU，這個CPU具有充足的存儲器、功率預算以及PCB空間。然而，在嵌入式應用中，由于產品設計的要求，這些資源是非常有限的。要恰當地實現USB功能特性，需要認真的產品規劃和系統層面的考慮，這需要從USB應用、特性和性能要求以及權衡這些選擇對嵌入式處理器、操作系統(OS)和USB軟件堆棧的影響的判斷能力。

　　相對于需要分別用來支持高速外設和全速主機功能兩個USB控制器的雙芯片實現來說，TD1120提供USB設計靈活性、低功耗、大大節省PCB空間并縮短系統開發周期的方案，這些都是工程師的主要關注的，這些好處同樣也轉換為系統成本的節省、加快客戶產品面市時間。

　　TD1120允許多端口配置、同時的主機和外設操作以及靈活的操作模式。支持以下端口配置：雙端口，一個OTG端口加標準的全速主機端口；三端口，兩個全速主機端口和一個高速外設端口。Mini-AB插座用來作為OTG端口(OTG端口具有雙重角色功能)。OTG端口可以配制成主機端口或外設端口，取決于插入Mini-A或Mini-B插頭時所檢測到的ID管腳。如果插入的是Mini-A插頭(ID管腳短路)，端口配置為主機，當Mini-B插頭插入(ID管腳浮置)，則端口配置為外設。

　　TD1120集成了一個片上高電流充電泵，可以支持高達100mA的電流，這樣可以支持很多種USB設備，包括鍵盤、鼠標、部分U盤，這樣就不存在需要外部充電泵的問題。此外，還集成了鎖相環(PLL)來支持外部晶振或12MHz和30MHz晶振實現額外的系統靈活性。

　　采用TD1120在全速主機模式下功耗低于40mA(最大)，全速外設操作時最大為80mA。TD1120整個芯片支持功率節省模式，包括主機控制器以及外設控制器的延緩模式以使功率消耗最小化，延長系統電池壽命，對于移動設備來說，電池壽命是很關鍵的性能。

　　接口性能表現

　　USB數據傳輸速率高度依賴于系統平臺。對速率的期望要現實而適當，因為有很多因素會影響到系統的數據吞吐量，包括CPU處理能力、CPU的利用率、OS存儲系統總線訪問時間、USB控制器、系統應用程序、軟件和協議開銷，等等。采用400MHz處理器的嵌入式系統不能與4GHz CPU的USB速度相提并論，后者在高速模式下可以達到200Mbps的吞吐量。

　
圖2：TD1120架構框圖

　　TD1120設計實現了硬件處理調度和傳輸層協議，包括實現高級性能的數據轉換、重試和帶寬管理。當出現傳輸錯誤或者設備還沒有準備接收傳輸時，將發送設備否定應答(NAK)。NAK可以是性能和系統影響的巨大因素，TD1120的設計減小了這些影響。當出現在主機與連接的外設之間進行大量的數據交換所采用的批量數據傳輸的情況時，批量列表結構(Bulk list structure)經過存儲器映射到TD1120的主機控制器，所有因為USB設備NAK而產生的重試以及傳輸描述符(TD)都在硬件內部處理，而不需要對系統總線的持續訪問，這樣減少了中斷并降低了對CPU的占用。

　　TD1120的高速的外設控制器實現了像連接到PC這樣的主機的性能，減少了傳輸大量數據內容的時間，因而大大提高了通過高速外設控制器的吞吐量，提升了用戶體驗。TD1120支持兩個與外部直接存儲器存取(DMA)主機接口的從DMA通道，這樣可以在沒有CPU干涉的情況下實現從或到外部存儲器或設備的高帶寬數據傳輸，減少對系統CPU的占用。然而，必須注意仔細調整CPU的外部存儲器訪問時間，以嚴格匹配外部USB主機控制器的時序要求，從而提高系統性能。

　　軟件支持

　　軟件在實現USB功能方面扮演了主要的角色。用于驅動控制器的必要軟件可能很復雜。除了硬件之外，選擇適當的OS和USB堆棧方案是USB實現的關鍵。支持TD1120的軟件可以從TransDimension的SoftConnex軟件套件得到，很多的實時操作系統(RTOS)都支持該軟件堆棧，該軟件套件提供完整的嵌入式USB方案的軟件堆棧和驅動程序。嵌入式系統領域采用了大量的實時操作系統。本身帶有USB主機和外設堆棧支持的操作系統在市場上并不多，如WinCE或Linux。對這些本身就帶有USB堆棧的操作系統，TransDimension支持主機和外設低級控制器驅動程序來與USB協議層接口。協議堆棧負責協議管理和調度功能，包括處理即插即用特性，以便告知系統新插入的設備，并管理帶寬以及其他與USB相關的資源。

　　對于其他本身并不帶USB堆棧的操作系統來說，TransDimension可以通過向客戶發放許可證的形式讓客戶使用TransDimension的軟件堆棧和驅動程序實現USB主機、外設或OTG功能，并將其配置到很多種操作系統和CPU。模塊化的軟件架構能實現靈活的產品設計，系統設計工程師可以輕易地從主機或/和外設設計轉到OTG方案上。

　　此外，TransDimension還提供便攜主機控制器驅動程序(HCD)以及外設控制器驅動程序(PCD)。開發商可以輕易地將驅動程序移植到多種USB主機和外設軟件堆棧、操作系統、處理器和硬件平臺中。便攜HCD和PCD提供設計工程師低級的應用編程接口(API)驅動程序來開發他們自己的USB方案，而可以不管TD1120是如何工作的細節。

　　便攜式HCD和PCD提供簡單的API，使用戶能寫獨立的USB應用程序以及將驅動程序連接到現存的USB堆棧，并實現特定應用軟件。當要求更多特性的應用，如支持大容量存儲，而內部開發能力和資源受到項目時間的限制，采用授權軟件產品可以提供最快的產品面世方案。

　　低功率設計

　　低功率特性包括可調節內核時鐘、動態寄存器關斷、動態和可編程時鐘選通大大降低功率消耗

　　魯棒的OTG邏輯

　　可配置硬件和軟件主機協調協議和會話請求協議

　　內存映射接口

　　16位數據總線允許直接連接到大多數微處理器

　　同時操作

　　主機和外設控制器實現允許同時操作

　　靈活的端口配置

　　允許多個端口配置，支持多達3個端口