哪種 USB接口適用于您的應用?(中)

　　通用串行總線(xiàn) (USB) 外設接口已廣泛應用于所有個(gè)人計算平臺及眾多工業(yè)和基礎設施平臺。不過(guò)，與此同時(shí)，人們對適用于給定應用的 USB 版本，如 USB 1.0，USB 1.1，USB 2.0，On-the-Go (OTG) 或 WirelessUSB (WUSB) 等，還不太清楚。隨著(zhù) USB 1.1 規范的發(fā)布，以及 Microsoft 操作系統為這一標準提供原生支持，使得 USB 主機接口在 PC 中快速普及，同時(shí)也使眾多外設由傳統接口，如串行 (RS-232)、PS-2(鼠標和鍵盤(pán))和并行端口(打印機使用的 Centronix 和 IEEE-1284)等，向這種新型通用接口標準過(guò)渡。

　　隨著(zhù) USB 2.0 規范的發(fā)布，使高速連接成為可能，USB 外設的數量出現激增，從而大幅改善了最終用戶(hù)的使用體驗。本文上半部分討論了 USB 標準的發(fā)展，中、下部分將討論常見(jiàn)的應用，并介紹給定應用采用哪種 USB 標準最好。

選用USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 還是 WUSB？

　　我們不妨先來(lái)簡(jiǎn)單看看不同 USB 版本之間的差別，以此作為本文的基礎。目前常用的標準為 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 和 WUSB。在許多情況下，這些不同標準會(huì )使工程師和最終用戶(hù)產(chǎn)生混淆。USB 2.0 是 USB 1.1 的官方正式升級版，提供了如下三種數據傳輸速率：
　　
　　·1.5 Mbps 的低速 (LS)；

　　·12Mbps 的全速 (FS)；

　　·480Mbps 的高速 (HS)。

　　前兩種速率的定義與 USB 1.1 完全相同。USB OTG 是USB 2.0 規范的補充，定義了新的設備類(lèi)型。此外，還擴展了外設產(chǎn)品的功能，增加了有限的主機功能。OTG 設備能支持 USB 2.0 支持的所有速率。Certified WUSB 是最新的標準擴展版，定義了無(wú)線(xiàn)接口，將有線(xiàn) USB 技術(shù)的高速和安全性與無(wú)線(xiàn)技術(shù)的易用性相結合。Certified WUSB 通過(guò) WiMedia Alliance 開(kāi)發(fā)的常見(jiàn)的 WiMedia MB-OFDM 超寬帶 (UWB) 無(wú)線(xiàn)電平臺來(lái)支持穩健的高速無(wú)線(xiàn)連接，連接距離為 3 米時(shí)最高數據傳輸速率可達 480 Mbps；連接距離為 10 米時(shí)最高速率可達 110 Mbps。每種版本都有其優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)全面了解每種技術(shù)的成本、功耗及吞吐能力，有助于我們確定哪種標準最適合給定的應用需求。

低速與高速 USB

　　低速 USB 的最大優(yōu)點(diǎn)就是低成本、低功耗。當數據傳輸速率為 1.5 Mbps 時(shí)，盡管收發(fā)器的速率很有限，但成本和功耗也很低。其明顯的缺點(diǎn)就是數據吞吐能力不高。如果數據傳輸速率為 1.5 Mbps 的話(huà)，那么實(shí)際數據吞吐能力還不到 1 Mbps，因為 USB 規范本身還會(huì )有一些開(kāi)銷(xiāo)。與之相對的高速 USB 數據規范，其數據吞吐能力很高，但同時(shí)也會(huì )導致成本增加，功耗大幅提升。實(shí)際 USB 控制器的成本高于全速或低速 USB。電路板實(shí)施的成本還會(huì )更高，因為相比于 12 Mbps 乃至更低的速率，當速率高達 480 Mbps 時(shí)，確保傳輸質(zhì)量就是一個(gè)很大的技術(shù)問(wèn)題了。

　　全速 USB 填補了低速和高速之間的空白，其數值處于三種矢量之間。

　　由于 USB OTG 可采用這三種速率中的任何一種，因此在比較 USB OTG 的不同速率版本時(shí)，上面討論的問(wèn)題同樣適用。我們不妨將 OTG 與標準有線(xiàn) USB 進(jìn)行比較。USB 規范最初的目的之一就是通過(guò)主機而不是外設完成大部分處理工作，從而實(shí)現低成本的外設連接方式。這就決定了 USB 以主機為中心的本質(zhì)，從而有助于大幅降低外設連接實(shí)施方案的成本。處理功能的成本主要由 PC 承擔，而不是由外接到總線(xiàn)的不同外設承擔。OTG 改變了這一機制，在標準的 USB 外設上集成了有限的主機功能，不管這種外加的功能多么有限，都會(huì )提高外設的成本。成本的提高不僅涉及到支持主機功能的 USB 控制器硅技術(shù)，還涉及到整個(gè)產(chǎn)品，其中包括與主機功能相配套的更高的存儲器與處理功能要求等。USB OTG 的一大優(yōu)勢在于，它能在沒(méi)有電腦的情況下實(shí)現 USB 設備的數據共享。我們在稍后討論有關(guān)應用時(shí)將給出具體實(shí)例和案例研究。

　　Certified WUSB 相對于有線(xiàn) USB 的最大優(yōu)勢在于易用性，無(wú)需線(xiàn)纜即可在電腦與外設間進(jìn)行數據傳輸。此外，在不用 USB 線(xiàn)纜的情況下，您還能直接為許多外設供電，所需設備可通過(guò)標準的 AC 適配器或電池自供電。

人機接口(或輸入)設備

　　人機接口(或輸入)設備 (HID) 應用的實(shí)例包括鼠標、跟蹤球、鍵盤(pán)、游戲桿和游戲控制器等。通常，這些設備都采用中斷數據傳輸方式，并通過(guò)主機定期輪詢(xún)來(lái)確定其是否要向活動(dòng)應用提供數據。鼠標數據輪詢(xún)的時(shí)間間隔通常為 8ms，可傳輸 32 位數據；鍵盤(pán)的輪詢(xún)間隔與鼠標相同，可傳輸數據為 64 位。更高級一些的游戲桿和游戲控制器(帶多個(gè)按鍵，支持力反饋技術(shù))輪詢(xún)間隔也是 8ms，每次請求發(fā)送 6 字節數據，這樣最大數據吞吐能力約為 8 Kbps (0.008 Mbps)，比低速傳輸速率 1.5 Mbps 的標準要低很多。不管人們打字或按鍵的速度有多快，都不會(huì )超過(guò)低速 USB 標準的支持范圍。因此，HID 設備的帶寬消耗很低，近期還不會(huì )超出幾個(gè) kbps 的范圍。這種應用低速標準的設備有助于降低成本。

　　這種設備一般也不會(huì )支持主機功能，這是因為若添加主機功能，相應地要提高處理功能，從而會(huì )增加成本，因此這種設備也不會(huì )成為全速 OTG 設備。這種設備非常適合作為支持 OTG 設備的外設，比方說(shuō)便攜式鍵盤(pán)，在沒(méi)有電腦的情況下，通過(guò)該鍵盤(pán)可向個(gè)人數字助理 (PDA) 或移動(dòng)手持終端中鍵入內容。不過(guò)在這種情況下，我們要考慮當前 USB OTG 規范規定的 8 mA 電流能否滿(mǎn)足有關(guān)應用的要求，是否需要采用電池。

　　無(wú)線(xiàn)鼠標和鍵盤(pán)已問(wèn)世多年。事實(shí)上，我正用這種設備來(lái)輸入本文。每種設備都采用制造商專(zhuān)有的無(wú)線(xiàn)解決方案，都需要無(wú)線(xiàn)收發(fā)器插入標準 USB 端口，以實(shí)現到 PC 的連接。在眾多情況下，除非為新設備購買(mǎi)或添加新的收發(fā)器，否則我們不能簡(jiǎn)單更新鼠標或鍵盤(pán)，也不能在系統中添加更多無(wú)線(xiàn) HID 設備。通過(guò)采用 Certified WUSB 支持的標準化實(shí)施方案，我們能解決上述問(wèn)題。任何新的 Certified WUSB 鍵盤(pán)、鼠標或游戲桿都能像標準的有線(xiàn) USB 外設一樣直接連接到系統。就近期而言，我們還需要外置 Certified WUSB 收發(fā)器來(lái)支持連接功能，不過(guò)在今后幾年，這種 Certified WUSB 收發(fā)器將會(huì )集成到電腦中，這樣就不再需要外置收發(fā)器，從而進(jìn)一步降低了實(shí)施外設連接的成本。HID 設備采用無(wú)線(xiàn)解決方案的一大劣勢在于，設備需要電池。有線(xiàn)解決方案則能從 USB 線(xiàn)纜獲得所需的所有電力。

海量存儲設備

　　海量存儲類(lèi) (MSC) 設備包括外置硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD)、DVD-RW、CD-RW、閃存卡讀卡器、ZIP 驅動(dòng)器、磁光盤(pán) (MO) 驅動(dòng)器及 USB 閃存驅動(dòng)器等。在選擇 USB 速率時(shí)，要確保 USB 連接不會(huì )成為數據傳輸的瓶頸。舉例來(lái)說(shuō)，圖 1 顯示的是假定沒(méi)有瓶頸時(shí)數據傳輸所需的理想速率，我們由此可以看到不同目標應用需要哪種 USB 速率。如果我們假定帶寬使用為理想狀態(tài)(無(wú)開(kāi)銷(xiāo))，我們就可以分析出在驅動(dòng)器和 PC 之間傳輸 1 GB 數據所需的時(shí)間。

　　顯然，理想帶寬是不現實(shí)的。因此，圖 1 中所列的時(shí)間要快于在實(shí)際應用中的情況。在本例中，只有高速 USB 標準才適合要求。那么接下來(lái)的問(wèn)題是：Certified WUSB 或 OTG 等非標準 USB 實(shí)施方案適用于這種應用嗎？ 

　
圖 1  理想狀態(tài)下傳輸 1GB 數據所需的時(shí)間

　　USB 閃存驅動(dòng)器本身體積很小，可以方便地從有線(xiàn) USB 連接獲得電力。因此，這種應用不太適合無(wú)線(xiàn)應用。如果用電池供電，就會(huì )提高成本，同時(shí)也不會(huì )給最終用戶(hù)帶來(lái)什么額外的功能。如果閃存驅動(dòng)器能支持 OTG 會(huì )話(huà)功能的話(huà)，似乎還有些用，不過(guò)這也會(huì )增加成本，相對于有限的功能增加來(lái)說(shuō)，反而得不償失。

　　就那些始終要連接到電腦的“固定式”驅動(dòng)器而言，有線(xiàn) USB 的連接更適用。用戶(hù)很可能通過(guò)墻上電源連接供電，因為這樣最適合該類(lèi)型驅動(dòng)器的供電需求。如果設備是“移動(dòng)”或便攜式的，那么 OTG 或 WUSB 可能更為適用。通常，移動(dòng)設備都不是獨立的設備，而是具備某種消費娛樂(lè )功能的設備，例如 MP3 播放器、數碼相機 (DSC) 等，也可能是通過(guò) HDD 擴展存儲容量的移動(dòng)電話(huà)/PDA 等。無(wú)線(xiàn)連接非常適用于上述這些設備。最終用戶(hù)只需走到辦公桌前，將設備放在 PC 邊上，由于眾多設備都采用非標準的 USB 連接器，因此立即就能實(shí)現文件與 PC 的同步，不用再為找線(xiàn)纜連線(xiàn)而頭疼了。OTG 也是一種合適的選擇，特別適用于相機和打印機的互連，也能讓移動(dòng)電話(huà)/PDA 彼此通信。