USB界面技術(shù)之應用

USB發(fā)展簡(jiǎn)史

　　自從IBM計算機于1981年提出開(kāi)放架構的PC規格以來(lái)，計算機的操作運算速度及使用者接口朝向更快速、精簡(jiǎn)的路邁進(jìn)，然而延伸PC架構接口的發(fā)展趨勢，目前以USB 2.0及IEEE 1394最令人津津樂(lè )道;而Intel于2000年4月正式推出免費授權的USB 2.0版架構，使得原本早期的USB 1.1接口如虎添翼，傳輸速度由12 Mb/s躍升為480 Mb/s的高速版本(High Speed)，并且具有容易使用、熱插拔、同時(shí)可支持127個(gè)外圍設備(如USB Hub/集線(xiàn)器這類(lèi)的輔助裝置來(lái)把這些設備接上)等特點(diǎn)，雖然USB 2.0與IEEE 1394兩者接口在市場(chǎng)上仍存有許多重迭的灰色地帶，特別是現在到處充斥著(zhù)『家電信息化』或『信息家電化』的未來(lái)趨勢，更使得兩大門(mén)派增添不少想象空間，不過(guò)就目前的PC相關(guān)外圍市場(chǎng)而言，以Intel捍衛PC市場(chǎng)的決心來(lái)看，似乎讓USB 2.0接口除了可鞏固現有市場(chǎng)(USB 1.1)外，尚可更快加速擴大現有的市場(chǎng)，而IEEE 1394若想要在這個(gè)領(lǐng)域超越的話(huà)，似乎還得再加把勁。

　　當初制定USB的目的有三個(gè)：Ⅰ.使個(gè)人計算機具備通訊的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具備強大的擴充性。由這三點(diǎn)可以清楚的知道USB接口能夠輕易地連接PC外圍產(chǎn)品，使用者不需因不同的外圍裝置而需找其對應的埠(Port)連接。至于市場(chǎng)的預測主要以PC為主，其中98%~99%的個(gè)人計算機皆有USB接口，其主要外圍應用產(chǎn)品以鼠標和鍵盤(pán)為主。表1為In-Stat對2001～2004年USB的市場(chǎng)預測。

　　USB規格的廠(chǎng)商共同設立了一個(gè)『USB應用者論壇(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非營(yíng)利組織。而USB-IF 是一個(gè)以技術(shù)支持為首要的組織，目的在于接受各界對USB技術(shù)研發(fā)與應用建議的論壇。并且為促進(jìn)高品質(zhì)并具有兼容性USB設備研發(fā)、規格 測試等做產(chǎn)品的推廣。同樣地USB也和其它業(yè)界規格(如IEEE1394、DVD、DTS等)一樣，USB1.0及USB2.0皆具正式卷標，而產(chǎn)品貼上USB2.0規格的卷標，便代表它與其它同樣具有USB2.0規格卷標的外圍正常使用，并且已經(jīng)過(guò)完整測試及具有兼容性。其測試項目如下：

　?、?適配卡、主機板及系統

　　(1)電源提供測試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號品質(zhì)(Downstream Signal Quality)

　　(3)通用性(Interoperability)

　?、?全速與低速集線(xiàn)器(不含高速支援)

　　(1)電源提供測試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號品質(zhì)(Downstream Signal Quality)

　　(3)回傳訊號品質(zhì)(Upstream Signal Quality)

　　(4)設備架構測試(Device Framework Testing)

　　(5)互通性(Interoperability)

　　(6)平均電流消耗(Average Current Consumption)

　?、?全速與低速外圍

　　(1)回傳訊號品質(zhì)(Upstream Signal Quality)

　　(2)設備架構測試(Device Framework Testing)

　　(3)互通性(Interoperability)

　　(4)平均電流消耗(Average Current Consumption)

　　其中『互通性(Interoperability)』為衡量軟件質(zhì)量的一個(gè)重要指標。它指一個(gè)軟件系統接收與處理另一個(gè)軟件系統所發(fā)送的信息能力，反映該軟件系統是否易于與另一個(gè)軟件系統快速連接的接口。一般可用下列三點(diǎn)來(lái)評價(jià)：

　?、?模塊化：該軟件所具有的模塊結構能力。

　?、?通信通用化：該軟件使用標準通信協(xié)議和接口例行程序的能力。

　?、?數據通用化：該軟件使用標準數據表示的能力。

　　另外在設計USB 2.0設備時(shí)，還要注意到防治電磁干擾(EMI Remediation)、機身接地(Chassis Grounding)、布線(xiàn)設計(Trace Layout)、設備封裝(Device Packaging)、電路板設計(Board Layout)及數據訊號衰減噪聲(Data Signal Attenuation/Jitter)等問(wèn)題。

　　另外值得一提的是USB 2.0傳輸規格全新加強版─USB On-the-Go (USB OTG)，即USB 2.0的追加規格(Supplement to USB 2.0 Specification)，亦稱(chēng)OTG規范，是USB-IF針對USB 2.0既有標準追加上去的補充條款。它允許讓各個(gè)裝置都能夠扮演主控者的角色，目前市場(chǎng)上極被看好且具明星相貌的裝置─PDA、影像行動(dòng)電話(huà)、數字相機、可攜式硬盤(pán)及NB等裝置。舉例來(lái)說(shuō)：當PDA變成主控裝置時(shí)，可以與其它品牌的PDA做數據傳輸或檔案交換等功能;當與行動(dòng)電話(huà)接上時(shí)，可經(jīng)由它上網(wǎng)，上傳或下載訊息;當與打印機接上時(shí)，即可打印圖片或檔案;當與數字相機接上時(shí)，便可以?xún)Υ婊蚪粨Q影像圖片檔案;連接上硬盤(pán)時(shí)，亦可備份或儲存數據。同理，其它裝置變?yōu)橹骺匮b置時(shí)，亦可與被控裝置做多元化變換的功能，是謂廣泛又富高度的彈性。

　　以下就USB市場(chǎng)所衍生的相關(guān)產(chǎn)業(yè)做詳細的分析：

　　閃存市場(chǎng)

　　手持或攜帶式電子產(chǎn)品等，強調電源節約度的產(chǎn)品已廣泛成為下一世代的主要需求，而非揮發(fā)性?xún)却嬖诮陙?lái)的應用日漸重要。在此范疇中的產(chǎn)品包含Flash Memory、Mask ROM及EEPROM(反之則為DRAM及SRAM)。其中又以Flash Memory可重復讀寫(xiě)并且存取速度快而最受矚目。

　　Flash Memory之所以能夠在未施予外界電源的情況下，而仍能保存數據的主要原因，在于內存組件本身具有與外界隔離的懸浮閘(Floating Gate)，經(jīng)由良好的設計與制造程序，此一稱(chēng)為懸浮閘的區域可長(cháng)時(shí)間儲存電荷而不致流失，故數據可被妥善保存。當欲抹除所儲存的數據時(shí)，則僅需藉由操作電壓的改變，即可將保留于懸浮閘中的電荷移去。另外Flash Memory的優(yōu)點(diǎn)尚包含：在惡劣的環(huán)境下(震動(dòng)、搖晃、強烈的溫差)依然有相當高的可靠度、嵌入式系統中依舊有相當便利的覆寫(xiě)數據能力及非揮發(fā)性(數據不需依靠持續充電維持)等。表2為Flash與DRAM產(chǎn)業(yè)特性的差異分析表。

　　根據IC Insight的統計，Flash Memory主要的應用是在于通訊、消費性及計算機相關(guān)的3C產(chǎn)品上，如圖1所示。三者合計約占整體市場(chǎng)的84%。倘若進(jìn)一步將Flash Memory依結構與工作原理區分，根據Dataquest預估的數據顯示，去年適用于儲存程序代碼的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦稱(chēng)為Code Flash)之產(chǎn)值約占Flash總產(chǎn)值的80%左右，其余則為適用于一般數據儲存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦稱(chēng)為Data Flash)。圖1為Flash應用領(lǐng)域之產(chǎn)值比重分析圖。

　　一般而言，Flash可分為兩大類(lèi)，NAND Type及NOR Type。NAND Type Flash因存儲元件尺寸較小，主要用于儲存數據，容量較大，目前主流為64MB、128MB，今年底前1GB產(chǎn)品應可問(wèn)世，其產(chǎn)品多搭配MP3隨身聽(tīng)、數字相機、PDA、行動(dòng)電話(huà)、掌上型計算機及數字攝影機等做為儲存影像、音樂(lè )及一般數據之用。由于在使用上，受上述可攜式產(chǎn)品體積限制的影響，而無(wú)法內建龐大容量的內存;因此NAND Type Flash有超過(guò)八成以上的比例是封裝成小型記憶卡以供消費者做為外加之用。依小型記憶卡的市場(chǎng)現況推論，筆者認為NAND Type Flash現階段主流容量約為64Mb與128Mb。不過(guò)隨著(zhù)廠(chǎng)商致力于制程微縮，每位NAND Flash的制造成本正快遽下滑，因而可以預期不論是消費者購買(mǎi)外加記憶卡的數量或硬件產(chǎn)品中內建NAND Flash之容量將明顯增加。圖2為Dataquest對全球NAND Type Flash的市場(chǎng)預測圖.

　　NOR型的主要的應用為程序代碼的儲存，容量相對較小，但具有存取快速的優(yōu)點(diǎn)，行動(dòng)電話(huà)的需求量為其最大的用途，目前市場(chǎng)行動(dòng)電話(huà)主流規格容量為16MB，幾乎為2001年的倍增，占NOR Flash整體需求的47.3%，其次為Set-Top Box、計算機主機板、局域網(wǎng)絡(luò )路由器及光驅。為配合行動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品之發(fā)展，現階段NOR Flash的容量是以8Mb、16Mb及32Mb為需求的大宗。由于包含行動(dòng)電話(huà)在內的各種產(chǎn)品功能將日趨復雜，每一產(chǎn)品對NOR Flash的單位用量可望隨之提升。因而Dataquest預估，NOR Flash用量前五大的產(chǎn)品至2004年為止，復合成長(cháng)率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode營(yíng)運模式的需求下，對容量的要求更高，高達32MB，未來(lái)在2.5G、3G出線(xiàn)后，容量勢必將再向上倍增。圖3為Dataquest對全球NOR Type Flash的市場(chǎng)預測圖及表3為Flash之特性與應用表。

　　美國PDA Buzz網(wǎng)站最近刊登了一篇消費者最常使用的PDA周邊附屬產(chǎn)品調查，時(shí)間為2002年4月，有效樣本為1535份，由表4得知，最常使用的仍是記憶卡，占34.4%，目前PDA的擴充槽接口，多半是以?xún)冉–ompactFlash Type II和Secure Digital(SD) Card為主，且以目前和未來(lái)PDA的發(fā)展趨向而言，似乎新推出產(chǎn)品都趨向以SD Card為主流。再者其次是鍵盤(pán)，占21.8%，一般而言，在操作計算機時(shí)，皆以鍵盤(pán)輸入為主，而操作PDA時(shí)，尤其是輸入文字較多時(shí)，以鍵盤(pán)輸入較為方便。第三則是數字相機，占12.1%，PDA加上數字相機所占的比例近五成，由于兩者可產(chǎn)生多元化的變換應用，對于一些需要實(shí)時(shí)影音的擷取、傳遞影像的特定行業(yè)應用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，則因整個(gè)通訊傳輸環(huán)境尚未建置完善，再加上傳輸速度尚受限，因此消費者對于此類(lèi)的外圍附屬裝置需求會(huì )較少。

　　對Flash而言，將Flash整合進(jìn)其它芯片的Embedded Flash就成為一種趨勢。一旦整合芯片，有成本上的考量時(shí)，廠(chǎng)商就有可能采取Embedded Flash的方式來(lái)減少空間。并隨著(zhù)次微米的制程技術(shù)及先進(jìn)的封裝技術(shù)(傳統采用TSOP封裝方式，現在則流行使用CSP封裝方式)來(lái)縮小芯片的面積，在低耗電、高密度及小體積等要求下，Multi Level Cell 與Multi Chip Package的Flash Memory產(chǎn)品將是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢。