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USB2.0的发展动态与远景
 

【作者: 吳秉思】2000年08月01日 星期二

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多年来Wintel重视核心技术的程度要远大于界面,基本上现在PC界面仍沿袭1984年的PC AT架构,缺乏关键性的高速周边应用,因陋就简的状态仍可以持续到九○年代中期。PC能够长期不在界面上做改良,可能的因素是应用方式集中在低速产品;PC主要的外部输出入接口设备,如键盘、鼠标等都是低速的装置,而扫描仪和监视器限于分辨率未提升至相当程度,循序和并行串接埠都可以应付。在内部的周边装置方面,CD/DVD-ROM/RW和HDD属于高速装置,可以径利用PCI之内部扩张埠增设IDE(ATA)界面来解决;为了声卡效能的提升,可把ISA废掉,改为PCI总线,而不能负荷3D绘图的PCI则改由AGP来解决。亦即不管是用折衷或是慢慢转变的方法,都毋需大兴土木来获得解决,如此可以尽量使PC的架构不致因过大的变化导致成本的突然增加,也易使PC周边产品制造商有充份的时间因应。


九○年代中期Wintel始重视新界面引进

然而这种以尽量维持原有系统架构的作法在九○年代中期以后逐渐受到挑战,首先是接口设备的质(分辨率和数据传输速度等)和量(接口设备数目增多)同时间提升,传统的界面和连接方式愈来愈无法切合消费者使用的方便,如外接的CD-RW、数字相机和ADSL/Cable Modem的机会增多,消费者需费尽九牛二虎之力才能解决界面连接的间题。


当时正值PC开始转攻家庭市场,也是信息家电概念初次被倡导之时,不具亲和力界面的PC,势必无法迎战家电信息化的产品,于是Wintel不得不积极致力PC人机界面的改善,Microsoft在Windows 95中开始采用能自动辨识接口设备的驱动软件「随插随用(Plug & Play)」,而Intel也开始主张USB界面的引进,甚至于Microsoft也在WinHEC 98中鼓励更高速的IEEE 1394之采纳,为以后任意接口设备模块化的Device Bay而铺路。


可惜Wintel步调不一致,缺乏竞争对手的Microsoft,对USB和1394驱动软件的支持迟延;Intel一方面苦于和AMD交战,另一方面又力排低价PC浪潮,企图稳豋核心事业CPU的命脉,无心在USB的推动上,于是上述的PC界面革命雷声大,雨点小,Wintel仍难跳脱传统以核心为主轴的思考窠臼。


九○年代末期Intel积极布署USB2.0

唯Wintel近来逐渐意识到PC在新界面的铺陈上不够积极所导致的负面作用。既不愿受1394束缚,也不希望见到1394的壮大而依赖PC渐减的情况,Intel终使出杀手戬,于1999年起强力推动USB2.0,并如期在WinHEC 2000中公布1.0版。而Microsoft也承诺在2000年底开始在新版的Windows上配备USB2.0的驱动软件,再度展现昔日Winetl合作无间的精神。


虽然USB2.0在规格规范和软件支持上已获得初步的解决,但PC及其周边业者尚需一般前置作业时间完成设计,故恐难赶在2000年底的耶诞假期中大量出货;比较适合的时机是在2001年PC芯片组开始支持USB2.0之后,故业界估计2001年下半年USB2.0才会逐渐普及。


由于1394已经广为家电业者采用(表一),Intel不可能改变此一事实,遂并不主张排斥1394于PC之外,而是认为USB2.0和1394两者可以共存在PC上,只是不特别支持1394;亦即若要在PC平台上应用数字消费电子产品,势必得再加上1394界面。



《表一 IEEE 1394在市场的斩获与预测》
《表一 IEEE 1394在市场的斩获与预测》

USB2.0和1394目标都是400 Mbps以上的传输速度,属于高速平行串接埠界面,连接器的形状甚为类似。Intel舍1394就USB1.X再行改良至USB2.0的动机,莫过于连接1394的所有装置需经过PC控制,使Intel有丧失PC为核心所掌握的对接口设备的控制权之虑外,两种界面并存将会导致IC、软件和接口设备开发效率的低落,并使消费者无所适从亦是当中要素之一。所以Intel比照PCI总线和AGP集积于芯片组界面的方式,同样支持USB2.0,藉由过去芯片组市场占有率的力量,发挥低价和彼此兼容的优点,得以迅速推广USB2.0。


1394不利Intel发展

其实Intel在1394的立场上历经戏剧性的波折。Intel本无意在1394上着墨,直到1996年Microsoft所订定的PC97规格上要求1394为建议内入的规格,迫使Intel在1997年表态,在2000年开始将1394界面整合至芯片组中;当年六月Microsoft更和Compaq策定使用1394和USB的接口设备链接方法「Device Bay」,使得1394强入PC的态势甚明。不料家电业者对1394的期待和Intel有所冲突,前者希望1394的速度至少要提升至1.6Gbps方能符合未来的需要,如此将使1394的规格复杂化,不利Intel在短期内引进向来是讲究规格单一化的PC市场上;另一方面家电业者在1394的产品开发进度超过Intel挂帅的PC业界,大有以外藩包围中原之势,自难令Intel释怀。更令Intel不满的是1394专利权最大的拥有者Apple在1999年二月要求每一个1394埠征收1美元权利金;后为平息众怒,遂由Apple、Compaq、Philips、东芝、Sony和松下合组一许可证管理公司,以一组件征收0.25美元方式解决。不愿受制于人的Intel索性自立门户,另行推动USB2.0(表二),以摆脱上述种种枷销。



《表二 USB2.0主要规格》
《表二 USB2.0主要规格》

2001年Intel新南桥支持USB2.0

USB2.0锁定的应用产品较不倾向已经逐渐普及化的数字消费电子产品,而是既有的PC传统接口设备,除了低速鼠标及键盘外,将延伸至高速的储存装置和数字Modem等。基于价格上和实用上的考虑,以高速产品使用USB2.0较有实际的意义,如DVD/CD-ROM在高速回转时所读数的数据,需向Host端传送,高速界面是必要的。现在的32倍速CD-ROM和4倍速DVD-ROM读出速度达37.5Mbps以上,已非USB1.1的12Mbps所能承受,USB2.0自是必要的。上述的储存装量,外加高阶的扫描仪和打印机开始被采用,势必需要USB2.0,其原USB1.1和SCSI-2界面得被替换。Intel计划在2001年下半年的新南桥「ICH3」(开发名)整合USB2.0主控制器(host Controller),电力供应和连接器规格都不予变更,便需额外增加的成本降至最低,较加装1394界面的成本来得更低(表三)。



《表三 USB2.0的商品化进展》
《表三 USB2.0的商品化进展》

两颗主从USB2.0芯片比两颗1394界面IC便宜

实现USB2.0除了Microsoft的驱动程序支持外,以IC的提供最为重要;业界在2000年夏时将会先推出FPGA供测试用,2000年秋再出货样品。USB2.0的IC大致分为三种,一是放在PC主机内部的主控制器(表四),二是用于如扫描仪和打印机等接口设备的界面IC(表五),以及界于PC和接口设备间的Hub IC。目前率先进行测试和推出样品的为主控制器,最慢的恐是Hub IC,主因是当同时能够支持USB2.0和USB1.1,电路的构造要复杂许多,并得与其他两种IC所在的PC和接口设备间的相互运作做测试。



《表四 USB2.0主控制器开发业者》
《表四 USB2.0主控制器开发业者》

《表五 USB2.0周边芯片开发业者》
《表五 USB2.0周边芯片开发业者》

USB2.0的主要控制是放在PC上,不像1394并不采用主从架构,故USB2.0主控制器的电路要比1394的界面IC来得复杂,制造成本较高;但在Intel将其整合至南桥之后,相对的成本几视而不见。至于接口设备的USB2.0界面IC,由于主要的管理机能皆集中在主控制器,电路可以大幅简化。遂依照IC业界的说法,USB2.0一颗主控制器加上一颗接口设备界面IC的成本,要比两颗1394界面IC来得低,这是Intel惯来利用PC为轴心处理平台挥发IC成本低减之又一例,诸如Modem和Ethernet亦是如此。


Hub IC难度最高,商品化时间晚

Intel在南桥上支持USB2.0,但并不考虑额外加入USB1.1的控制电路,而是让Hub的控制电路同时支持USB2.0和1.1,得使具备USB1.1界面的接口设备亦能挂上USB2.0的Hub。毕竟Intel的南桥和Hub的控制器推出时间较晚,Intel的南桥可以回避USB1.1的支持问题,改由Hub端解决,但是2000年下半年到2001年间推出的主控制器则必须同时支持USB1.1和USB2.0,达到回溯兼容USB1.1的作法,否则只要Hub尚未上市,既有USB1.1的接口设备就无法连接到备有USB2.0的PC上运作。目前在主控制器上最积极的首推NEC,早在2000年四月就推出样品,并预定在九月量产;该产品已内藏物理层,并具备PCI总线接口,可以用扩充埠插入PCI插槽的方式解决。大体而言,USB2.0的主控制器和USB1.1并无两样,直接内藏物理层而成为单一芯片。


接口设备IC皆不推出单芯片

在接口设备用的USB2.0界面IC方面,则皆不倾向使用单芯片,主因是所支持的接口设备多样化,难以一次整合。2000年下半年的周边界面IC将优先配备既有控制电路,如IDE/ATAPI界面电路和各直接连接到控制器的泛用总线之界面电路;利用现有的控制电路开发,可以减少开发的时间。USB芯片的最大供货商Cypress,以及NEC、In-system Design准备推出的接口设备用IC即选定CD/DVD-ROM和HDD等储存设备现共享的IDE/ATAPI界面电路予以融合,遂可在不必大幅度变动的情况下完成USB2.0的新芯片设计。


在WinHEC 2000中大出风头的NetChip,则是备有泛用的总线和现有接口设备的控制器外部总线连接。其他业者是和既有的网络及高速界面做变换链接,如Innovative Semi是同时也另支持1394;而Kawasaki LSI则是另对应Ethernet界面。总之虽只是接口设备界面IC,各业者尝试以差异化和多元化来开发新产品。


台湾业界可望在2001年下半年大举跨入

不过初期的接口设备用界面IC,因物理层动作上的测试需要相当时间的验证,不宜马上做成单芯片,使成本不易抑低;现在USB2.0的物理层IC价格在2~5美元间,整合成单芯片后的物理层电路部份的成本不到1美元。NetChip考虑在2000年第四季亦推出单芯片的产品,其他业者大概在2001年后提出相同的解决方案;台湾业界预计在2000年下半年后,配合Intel支持USB2.0的新南桥,方会大举进入。


在时机上,接口设备的支持渐趋成熟,台湾业界可径以单芯片切入,另一方面又可切入难度较高的Hub IC。相对于缺乏数字消费电子产品通路而在1394力有未逮的情况,挟带本土庞大接口设备制造的有利条件,台湾业界在USB2.0的商机将乐观不少。


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