控制通用序列總線裝置的操作模式的方法與相關裝置的製作方法

2023-10-08 13:34:49

專利名稱：控制通用序列總線裝置的操作模式的方法與相關裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通用序列總線(universal serial bus，USB)裝置，特別涉及一種控制通用序列總線裝置的操作模式的方法與相關裝置。
背景技術：
通用序列總線(universal serial bus，USB)的標準近年來已廣被計算機界所接受，事實上差不多所有的個人計算機上都至少配備一個通用序列總線連接埠(port)，甚至有些印表機、輸入外部設備(inputperipherals)、或網絡連結器(network linker)等僅配備通用序列總線連接埠。此外，具有多功能的通用序列總線也相繼問世。
通用序列總線為需要經由計算機主機來控制的一種從屬裝置(slavedevice)，當使用者將一通用序列總線連接至一臺計算機主機後，該臺計算機主機會檢測該新裝置，在檢測過後計算機主機首先要做的就是傳送一裝置描述命令(device descriptor command)至該通用序列總線，而該新裝置(也就是該通用序列總線)則將其持有的裝置描述傳回到計算機主機端以確實告訴計算機主機它到底是什麼東西，然後計算機主機方才知道要用何種驅動裝置與通訊協定來使用它。有一些基本裝置，例如鍵盤或是儲存裝置，個人計算機中已有內建於作業系統的驅動裝置，然而其它的裝置則需要製造廠商提供相關的專業化驅動軟體。
請參考圖1，圖1為已知具有多功能的通用序列總線10的方塊圖。為便於解釋，假設通用序列總線10為連結兩臺計算機主機的一網絡連結器(network linker)，該兩臺計算機主機可利用通用序列總線10傳遞信息。通用序列總線10僅具有單一操作模式，而該單一操作模式具有兩種功能(function，或稱為設定configuration)，記載於其裝置描述(devicedescriptor)中。該裝置描述載明通用序列總線10能同時支持兩種功能，因此也就同時需要兩種驅動程序。例如，A功能為一連結功能，用於連結兩臺計算機主機作為數據交換之用；而B功能則為一儲存功能，用於一計算機主機將數據儲存於通用序列總線10中，任何一種功能都是被計算機中適當的驅動程序與指令所控制，當然該二計算機主機都必需配備符合通用序列總線10的驅動程序才能順利使用通用序列總線10。該驅動程序是儲存於光碟(CD)或磁碟(floppy disk)中，並且在該二計算機主機與通用序列總線10連接之前就已安裝在該二計算機主機上了。
通用序列總線10包含一第一連接埠12與一第二連接埠16，該二連接埠均為典型的陽(male)通用序列總線連接埠(male USB port)，且分別位於通用序列總線10的兩端，並且分別連接至該二計算機主機的陰(female)通用序列總線連接埠(female USB port)上。該二連接埠均內含用來處理通用序列總線10的輸出入信號的電路。因為通用序列總線10有二種獨立的功能(連接、儲存)，所以通用序列總線10的兩端也必需分別具有兩個先進先出(first in firs tout，FIFO)的寄存器，也就是第一連接埠12連接至二先進先出寄存器14a、14b，而第二連接埠16則連接至另外兩個先進先出寄存器18a、18b。該四個先進先出寄存器14a、14b、18a、18b都連接至一控制電路20上，用來交替地在控制電路20與該二連接埠間傳送數據，但在操作時究竟使用那一個先進先出寄存器則取決於通用序列總線10正在執行何種功能。控制電路20包含所有通用序列總線10執行前兩項功能所需的所有電子元件、晶片、與相關組件。
另一先前技術的實施例則披露在美國專利6,141,719中，其發明人為Rafferty等。Rafferty等人披露如何將多個通用序列總線連接至一臺計算機主機上，以及經過一切換過程(switching process)所啟動(activate)的通用序列總線。然而，該切換過程仍必需經由使用者控制，並且該切換機制尚需要額外的硬體設備來完成，也就是說，需要額外的花費。由於僅能通過連接或不連接計算機主機來改變通用序列總線的操作模式，以致於該通用序列總線僅具啟動的(active)、或閒置的(inactive)兩種操作模式。
先前技術中所提到的具有多功能的通用序列總線裝置使用起來很不方便，即便是該通用序列總線裝置中僅有一種功能是必需的，其仍需配備兩組驅動裝置，並且先前技術中的通用序列總線裝置還潛藏了一些昂貴且可能沒有用的裝置，例如先進先出寄存器等，當只需要通用序列總線裝置完成一種功能時，該先進先出寄存器就派不上用處了。

發明內容
本發明的目的在提供一種能控制通用序列總線裝置的操作模式的方法，以解決已知技術所無法解決的問題。
根據本發明，一通用序列總線裝置包含有至少一通用序列總線連接埠、一檢測電路、與一控制電路，該通用序列總線裝置的電源可來自一計算機主機或一個別的電源供應器。該通用序列總線裝置至少有兩操作模式並且以現行的操作模式數據回應計算機主機所發出的取得描述命令。而控制電路與檢測電路用來改變該通用序列總線裝置的操作模式，再運用一重新設定功能，才完成所有模式改變的動作。


圖1為已知具有多功能的通用序列總線的方塊圖。
圖2為本發明具有多重功能的通用序列總線裝置的方塊圖。
圖3包含本發明的通用序列總線連接埠陰端子的透視圖與一陽通用序列總線裝置連接埠。
圖4為本發明通用序列總線裝置通過其內的陽通用序列總線裝置連接埠與圖3中的端子連接的方塊圖。
圖5為一通用序列總線裝置與另一剛好可插入該通用序列總線裝置的端子。
圖示的符號說明10 30 60 70 90 多功能的通用序列總線14A 14B 18A 18B 34 38 62 先進先出寄存器12 32 第一連接埠 16 36 第二連接埠20 66 控制電路 40 64 檢測電路42a A控制模式 42b B 操作模式50 80 端子 52 82 外殼54舌狀物 56 84電力接點66c C操作模式66d D操作模式68 外接電源供應器 92 標準的B型裝置連接埠
100a 100b 計算機主機具體實施方式
本發明的最佳實施例提供一種能切換通用序列總線(USB)裝置的操作模式的方法，雖然本實施例中僅用以下兩個不同的通用序列總線裝置分別說明，但本發明的方法可應用在任何其它種類的通用序列總線裝置。
請參考圖2，圖2為本發明具有多重功能的通用序列總線裝置30的方塊圖，請注意通用序列總線裝置30僅僅為USB裝置，而並非通用序列總線主機(host)或是集線器(hub)。通用序列總線裝置30包含一第一連接埠32與一第二連接埠36，用來連接一臺或兩臺計算機主機，該二連接埠32、36均為標準的陽通用序列總線A型裝置插頭(standard male USB typeA device plug)。連接埠32、36分別包含四個標準的通用序列總線連接點(contact)，分別為總線電源(bus power，VBUS)點、D+信號接點、D-信號接點、與接地(GND)接點。連接埠32、36分別通過先進先出寄存器34、38與一控制電路42相連，通用序列總線裝置30的兩種操作模式均由控制電路42所決定。連接埠32、36也同時連接到一檢測電路(detectioncircuit)40，該檢測電路40藉著量測連接埠32、36的vbus電壓，就可知道有多少連接埠是連接著像個人計算機這類能供應電源給通用序列總線裝置30內元件的裝置，並且檢測電路40也會將這相關的信息傳給控制電路42。為了說明起見，假定通用序列總線裝置30以一高速計算機主機對計算機主機的網絡連結器(high-speed host-to-host network linker)，其內含一儲存裝置，並且其所需的電源是由外接的計算機主機所提供的。也就是說，A操作模式42a使得通用序列總線裝置30作為一儲存裝置(例如一閃速存儲器)，而B操作模式42b則可使得通用序列總線裝置30作為主機間的連結裝置。特別需要注意的是A操作模式42a與B操作模式42b均提供獨立且完整的功能，以致於它們可視為兩個同在一殼體內的通用序列總線裝置。然而本發明的通用序列總線裝置30並不僅限上述兩種功能的組合，例如，掃描器/存儲器裝置組合，或是掃描器/主機對主機組合等，該二操作模式究竟為何功能要視設計而定，但它們必需是獨立的，為了配合由主機100a、100b所發出的裝置描述命令中的詢問/回答通訊協定(query-response protocol)，因此每一操作模式42a、42b皆需在主機100a、100b有一相對應的驅動程序。
通用序列總線規格(最新的版本為USB2.0版)規定了當通用序列總線裝置30連接到一主機後所必需要遵守的一些事，以下為相關規定的簡單說明。當通用序列總線裝置30的第一連接塊32連接至主機計算機100a時，第一連接埠上的D+信號線的電位會被通用序列總線裝置30由接地狀態拉至高電位狀態。請注意，不同的傳輸速度(connection speed)對應不同的連接過程，對高速傳輸(high/full)的裝置而言，是D+信號線的電位被一提升電阻(pull-up resistor)所拉高，但對低速傳輸的裝置來說，則是D-信號線的電位被一提升電阻所拉高。當D+信號線的電位改變被主機計算機100a檢測到時，主機計算機100a就知道有一裝置連上了，而通用序列總線裝置30在此同時也從主機計算機100a接收到總線電源(一般為5伏特)，並且利用這電源將D+信號線的電位拉高，這些都是已知的技術，在此重複只是為了方便以下的說明起見。
除了通用序列總線裝置30規格上所載明的事項外，本發明的通用序列總線裝置30當連接上主機計算機100a時，還會將總線電源傳送至檢測電路40，接著檢測電路40判定只有一臺開機的主機計算機100a正連接至通用序列總線裝置30，也正是這臺計算機100a，一臺處於開機狀態且正連接至通用序列總線裝置30的第一連接埠32的通用序列總線元件(USBcomponent)，才是真正提供通用序列總線裝置30運作時所需電力的來源。
當計算機100a連接上通用序列總線裝置30後，計算機100a就預備識別通用序列總線裝置30，並且藉著傳送取得描述命令(get descriptorcommand)給通用序列總線裝置30，來為其載入適合的驅動程序。於此同時，檢測電路40也已通知控制電路42隻有一臺計算機連上線，於是控制電路42就決定通用序列總線裝置30隻作用於A操作模式42a，也就是儲存模式。通用序列總線裝置30就以對應於A操作模式42a的裝置描述(devicedescriptor)以設定描述(configuration descriptor)回應計算機100a所發出的取得描述命令。在上述的整個過程中，B操作模式完全不會被使用到。計算機100a根據通用序列總線裝置30所傳來的裝置描述與設定描述來尋找一適合通用序列總線裝置30的驅動程序，萬一找不到時，計算機100a立刻通知使用者供應一適合的驅動程序給通用序列總線裝置30。大部分新的作業系統皆內建有通用序列總線儲存裝置驅動程序，只有一些老的作業系統，例如視窗98/95，沒有內建此類的驅動程序。至此，具多功能的通用序列總線裝置30已連上一臺計算機100a，並且像個典型的僅具單一儲存功能的通用序列總線裝置。
當想要將通用序列總線裝置30切換至B操作模式42b，也就是計算機對計算機網絡連結模式時，使用者僅需將第二連接埠36連接至另一具有通用序列總線連接埠的計算機即可，在本例中其為第二計算機100b。第二計算機100b執行與第一計算機100a之前做過的相同的通用序列總線初始化過程(也就是傳送取得描述命令，再經由檢測電路判別等等)，然而這一次檢測電路40卻是通過位於第二連接埠36上的另一總線電壓VBUS，檢測得知有兩計算機100a、100b已連接在通用序列總線裝置30上了，此時控制電路42將操作模式由原本的A操作模式42a切換至B操作模式42b，因而也改變了通用序列總線裝置30的功能。
通用序列總線裝置30操作模式的改變最後仍需經過通用序列總線功能重新設定(USB function reset)的程序後才算全部完成，之所以需要通用序列總線功能重新設定是在於，根據通用序列總線通訊的本質，第一計算機100a並無法檢測到操作模式是否已改變，因為任何一臺計算機僅會在剛連接到通用序列總線裝置30時詢問通用序列總線裝置30的相關功能，所以當通用序列總線裝置30連接了另一臺計算機且改變其操作模式時，第一計算機100a並不會知道，它還以為通用序列總線裝置30仍舊沿續A操作模式。通用序列總線裝置30的功能重新設定可被其內的一控制單元(control unit)藉著暫時停止拉高D+信號線的電位而完成，亦即不連接(disconnection)D+信號線的程序。請注意高速傳輸裝置的不連接程序包含不連接該D+提升電阻，其更進一步包含將一45歐姆的電阻移離D+信號線與D-信號線。而不連接低速傳輸裝置則包含不連接D-提升電阻。實際上，連接/不連接的動作是通用序列總線裝置30專門為了第一計算機100a所作的，而此刻仍連著通用序列總線裝置30的第一計算機100a解讀該重新設定的意義為，第一計算機100a正連接一不知名的新裝置(它不知道該新裝置依舊是通用序列總線裝置30)。
在通用序列總線裝置30完成與計算機100a連接/不連接的操作之後，計算機100a、100b分別與先前一樣傳送取得描述命令至通用序列總線裝置30。然而這一次，通用序列總線裝置30隻傳回關於B操作模式42b的裝置描述與設定描述，而A操作模式既不會提到也不會用到。與先前一樣，計算機100a、100b尋找或是立刻通知使用者根據B操作模式42b安裝適合通用序列總線裝置30的驅動程序。此時，具有多功能的通用序列總線裝置30現在已連接至兩臺計算機並像典型的具有主機對主機網絡連結的單一功能的通用序列總線裝置。
而通用序列總線裝置30其它的操作模式可通過特別設計的通用序列總線連接埠端子(USB port terminator)來附加上去。請參考圖3，圖3包含本發明的通用序列總線連接埠陰端子(cap terminator)50的透視圖與一陽通用序列總線裝置連接埠(male USB device port)60。端子50包含一外殼52，其內設有一舌狀物54，二者都是由非導電材料所製成，如熱塑性塑膠(thermoplastics)PBT或PET等。舌狀物54上為電力接點56，其可為鍍金的銅質通用序列總線等級的導體，接點56的尺寸與位置是當端子50與通用序列總線裝置連接埠60以機械的方式嚙合時，正好將通用序列總線裝置連接埠60的D+信號線、D-信號線、與地線連在一起。當然，設計端子50的外殼52與舌狀物54需特別注意的是，當端子50插入通用序列總線裝置連接埠60時，不可將通用序列總線裝置連接埠60的總線電源VBUS與地線GND短路。
圖4為本發明通用序列總線裝置70通過其內的陽通用序列總線裝置連接埠60與端子50連接的方塊圖。通用序列總線裝置70還包含一先進先出寄存器62、一檢測電路64、與一控制電路66，這些元件的連接方式與圖2所示通用序列總線裝置30中的元件的連接方式相同，如圖所示，接點56本質上是用來將通用序列總線裝置連接埠60的D+信號線與D-信號線接地。
假定通用序列總線裝置70為一臺需外界供給電源的噴墨印表機(inkjet printer)，該噴墨印表機具有一陽通用序列總線連接埠，用來連接一計算機，該噴墨印表機具有兩種操作模式，一C操作模式66c(正常列印模式)與一D操作模式66d(測試模式)。圖4中還顯示一外接電源供應器(external power supply)68，其是連接在通用序列總線裝置70，用來提供通用序列總線裝置70運作時所需的電力。
通常印表機70(也就上述的通用序列總線裝置70)在製造後、出廠前會先進行測試的程序，首先，將端子50連接上印表機70，並將外接電源供應器68的電源開啟，印表機70內的檢測電路64此時並不會檢測通用序列總線連接埠60的總線電源的電壓，反而是通知控制電路66印表機70並未連接至一計算機，接著印表機70產生一短的拉升(short pull-high)脈衝至D+信號線與D-信號線，檢測電路64就檢測到該二信號線並未接地，隨即控制電路66將印表機70設定為D操作模式66d，也就是測試模式，此時印表機70就被可測試人員(test operator)測試，並於此同時將該印表機的原始設定(default setting)設定在此印表機70中。另一方面，如果端子50在開機後並沒有插在印表機70的通用序列總線連接埠60上，此時檢測電路64就檢測到D+信號線與D-信號線並未接地，控制電路66就相應地將印表機70切換成C操作模式66c並將其處於待機狀態，以等待進一步連接至計算機。在此例子中，端子50是被用來將印表機70切換至D操作模式66d，其非為使用者而設計，純粹是為了製造與測試的目的而存在。
需特別注意的是當端子50將D+信號線與D-信號線接地時，通用序列總線裝置70也可為一高速、全速(full-speed)、或低速傳輸的裝置。當使用在高速或全速傳輸的裝置時，端子50可設計成只將D+信號線接地，但當用於低速傳輸的裝置時，端子50可設計成只將D-信號線接地。
端子50的設計概念也可擴大為不僅僅是用來將信號線接地，例如一多用途端子還可提供在通用序列總線裝置連接埠的各連接線間電阻或其他可量測的電力特性的元件。此外，該多用途端子可根據特定的程序從一個或多個通用序列總線連接埠上連接或移除以實現特定的功用。或者是，該端子也能是插頭型式(plug type)的連結器，用來連接一陰通用序列總線裝置連接埠(female USB device port)。請參考圖5，圖5為一通用序列總線裝置90與另一剛好可插入該通用序列總線裝置90的端子80，其中通用序列總線裝置90包含一標準的B型裝置連接埠92(standard type Bdevice port)。同樣地，該端子80包含一非導電本體(body)82，外殼以金屬包覆，殼體82內有一凹洞，其內設有一電接點84，電接點84的尺寸與位置是當端子80與B型裝置連接埠92以機械的方式嚙合時，正好將B型裝置連接埠60的D+信號線、D-信號線、與地線連在一起。與先前所提到的端子50相同，也不能以不同的方向將端子80與B型裝置連接埠嚙合，同時嚙合後也不能影響B型裝置連接埠92的總線電源。以上這些可能的端子變化只是造就它來完成它的主要目的，也就是改變通用序列總線裝置的操作模式。
先前提到的兩個關於通用序列總線裝置的例子只是為了清楚說明起見，並非僅局限在這兩個例子。例如，端子尚可應用在計算機對計算機/儲存裝置的組合上用來使得測試模式更容易完成，當僅測試儲存裝置時，該端子又可同時保護未使用的通用序列總線連接埠免於灰塵或髒東西的侵害。本發明亦可藉著應用剛剛提到的檢測方法與藉著不同的計算機、端子、與通用序列總線裝置中未連接的連接埠共同完成更多的操作模式。
一般說來，多功能的通用序列總線裝置可包含任意數量的通用序列總線裝置連接埠，並且藉由計算機或被個別的電源供應器供應電源。每一連接埠的狀態均可被檢測電路根據總線電源VBUS、D+、D-信號線的狀態所決定。每一連接埠均可連接至計算機、端子、或根據連接埠的設定狀況而不接任何東西。根據連接埠的狀態，通用序列總線裝置中的控制電路控制通用序列總線裝置的操作模式，在經過功能重新設定的動作之後，該操作模式的切換才算完成。本發明在本質上提供一可切換模式的多功能通用序列總線裝置，致使每一臺計算機視該多功能通用序列總線裝置的每一操作模式為一特有的單功能通用序列總線裝置。
相較於已知的技術，本發明的通用序列總線裝置根據其上的連接埠是否連接於計算機、端子、或根本未接來自動改變操作模式，所以本發明的操作模式對使用者而言很方便，還因為本發明的通用序列總線裝置較先前技術需要較少的先進先出寄存器，所以成本亦會降低。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求書所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明權利要求的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種用於通用序列總線連接埠(universal serial bus port，USBport)的端子(terminator)，該通用序列總線連接埠包含一D-信號線；一D+信號線；以及一地線；該端子包含一非導電物質，其是以機械的方式嚙合於該通用序列總線連接埠；以及至少一電接點，設於該非導電物質的表面，用來將該D+信號線或該D-信號線電連至該地線。
2.如權利要求1所述的端子，其中該非導電物質為一套子(cap)，而該通用序列總線連接埠為一陽通用序列總線連接埠。
3.如權利要求1所述的端子，其中該非導電物質為一插頭(plug)，而該通用序列總線連接埠為一陰通用序列總線連接埠。
4.一種通用序列總線裝置的模式切換方法，該方法包含有提供電力至該通用序列總線裝置；檢測該通用序列總線裝置的其中的通用序列總線連接埠的D+信號線或D-信號線是否接地；以及切換通用序列總線裝置的操作模式，當該通用序列總線裝置連接埠的D+信號線或D-信號線接地後，該通用序列總線裝置進入一預先設定的操作模式。
5.如權利要求4所述的方法，其中該預先設定的操作模式為該通用序列總線裝置的測試模式。
6.如權利要求4所述的方法，其還包含有將權利要求1所述的端子嚙合於該通用序列總線裝置的連接埠。
7.如權利要求4所述的方法，其中該通用序列總線裝置所需的電力是由一通用序列總線主機所供應或是由一個別的電源供應器供應。
8.一種通用序列總線裝置的模式切換方法，該方法包含有提供電力至該通用序列總線裝置；提供一檢測電路，用來檢測當一第一通用序列總線裝置的通用序列總線連接埠連接至一第一通用序列總線計算機主機，並且用來檢測當一第二通用序列總線的連接埠連接至一第二通用序列總線計算機主機；提供一控制電路，用來根據該檢測電路設定通用序列總線裝置的操作模式，該控制電路提供至少一第一操作模式與一第二操作模式。當該檢測電路判定該第一通用序列總線連接埠是電連於該第一通用序列總線主機，且判定該第二通用序列總線連接埠是未電連於該第二通用序列總線主機時，該控制電路進入該第一操作模式；以及當該檢測電路判定該第一通用序列總線連接埠是電連於該第一通用序列總線主機，且判定該第二通用序列總線連接埠亦是電連於該第二通用序列總線主機時，該控制電路進入該第二操作模式。
9.如權利要求8所述的方法，其中該檢測電路利用位於該第一通用序列總線連接埠的一總線電源線(VBUS)來判定該通用序列總線裝置是否電連於該第一通用序列總線主機，並且利用位於該第二通用序列總線連接埠的一總線電源線來判定該通用序列總線裝置是否電連於該第二通用序列總線主機。
10.如權利要求8所述的方法，其還包含有提供該第一操作模式與該第二操作模式共享的先進先出寄存器(firstin first out，FIFOs)，其是位於該控制電路與該第一通用序列總線主機間，以及位於該控制電路與該第二通用序列總線主機間。
11.如權利要求8所述的方法，其還包含有檢測該通用序列總線裝置的連接埠的D+或D-信號線是否接地；切換該通用序列總線裝置的操作模式，當D+信號線接地或D-信號線接地時，該通用序列總線裝置被切換至一第三操作模式。
12.如權利要求8所述的方法，其還包含有將權利要求1所述的端子嚙合於該通用序列總線裝置的一連接埠；切換該通用序列總線裝置的操作模式，當權利要求1所述的端子嚙合於該連接埠時，該通用序列總線裝置被切換至一第三操作模式。
13.如權利要求8所述的方法，其中該通用序列總線裝置所需的電力是由一通用序列總線主機所供應或是由一個別的電源供應器所供應。
全文摘要
本發明提供一控制通用序列總線(USB)裝置的操作模式的方法與相關裝置。該通用序列總線裝置包含有至少一通用序列總線連接埠、一控制電路、與一檢測電路用來檢測通用序列總線裝置的連接狀態，該通用序列總線裝置的電源可來自一計算機主機或一個別的電源供應器。該通用序列總線裝置至少有兩操作模式並且以現行的操作模式數據回應計算機主機所發出的取得描述命令。控制電路與檢測電路用來改變該通用序列總線裝置的操作模式。
文檔編號G06F13/38GK1459731SQ0214587
公開日2003年12月3日 申請日期2002年10月16日 優先權日2002年5月12日
發明者林如湧 申請人:揚智科技股份有限公司