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USB 2.0发展现况探微
 

【作者: 誠君】2000年10月01日 星期日

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具有USB(Uuniversal Serial Bus )2.0介面的新型个人电脑和周边装置,将在2000年底至2001年间开始运销。目前,晶片厂商已经开始运出支援USB 2.0的IC样品给周边设备制造商。然而,即使有了正确的IC,还是无法担保设备的开发会如预期般顺利。若要生产USB2.0的合格产品,必须先符合一些条件,这些包括:装置驱动软体的开发、具备高达480Mbit/s讯号传输速度的装置开发、以及多家厂商之间设备相互操作性的验证等(图一)。如果这其中有任何一项没有实现的话,则USB 2.0设备将无法成功。




《图一 USB 2.0连接网路》



EHCI暂存器组


USB 1.0的设备在市场上的发展进度缓慢就是一项证明。虽然英特尔(Intel)在1996年推出了一个符合USB 1.0标准介面的PC晶片组,但USB 1.0的合格周边设备,却直到1998年才开始在市场上出现,主要原因是牵涉到装置驱动软体开发的延误。



然而,USB 2.0驱动软体发展看起来似乎会比USB 1.0较为顺利,因为许多针对USB 1.1所研发的驱动软体不需修改即可使用(图二)。可能造成整个USB 2.0发展延缓的惟一障碍是主控制器IC的装置驱动软体发展,微软(Microsoft)宣布它已收到两个主控制器IC,而且发展进行顺利。主控制器IC的发展得以顺利,主要是因为英特尔从USB1.0计划中学到了许多教训。



《图二 主控制器驱动程式堆叠》


英特尔在USB 1.0的主控制器IC发展中是确定领先的,但它拒绝透露称为「万用主控制器介面」(Universal Host Controller Interface-UHCI)内建暂存器组的细节。因此,微软、康柏电脑(Compaq Computer)、国家半导体(National Semiconductor)及其他公司最后开发了一个配有称为「开放主控制器介面」(Open Host Controller Interface-OHCI)的不同暂存器组之主控制器。这也意谓着市场上的主控制器晶片具有不同的暂存器组,因而导致驱动软体发展的延缓。



有此前车之鉴,在USB 2.0发展方面,英特尔决定要免费提供「加强的主控制器介面」(Enhanced Host Controller Interface-EHCI)暂存器组。这表示由多家厂商研发的所有USB 2.0主控制器IC都将使用相同​​的暂存器组,以利于装置驱动软体的发展。



驱动软体


基本上,周边等级的装置驱动软体不需要任何修改,事实上,也都是如此。因为,目前周边制造商所展示的USB 2.0合格设备就是以未经修改的USB 1.1驱动软体制作的。然而,在480Mbit/s的等时(Isochronous)数据传输率下,需要研发一些新的驱动软体,对USB 2.0而言,最小的数据传输单位为125μs,或是USB 1.1的八分之一。这表示必须提供新的装置驱动软体来实作具有较短微框的等时传输。这对于传输视讯数据照相机的设计师或是处理语音数据的音讯设备制造商而言,是相当重要的。



微软没有计划针对如视窗2000或视窗98等既有的作业系统,提供USB 2.0的等时传输装置驱动软体,可能的原因是该公司不想因为替多个作业系统制作驱动软体,而严重影响驱动软体和视窗作业系统的发展。据称,以USB 2.0驱动软体作为标准配备的作业系统,很可能是目前被列管中名为「Whistler」的系统。



互连验证:


为了要使USB 2.0合格设备被广泛采用,将需要谨慎且彻底的互连验证。如果市场上的一些设备无法在某些组合中正常操作时,那么将会严重影响市场对USB 2.0的接受度。虽然USB缆线问题已有一段时间不被提及,而且符合USB 1.1标准的缆线可以实际地连接至一个USB 2.0的合格装置上,但是市面上已存在的一些缆线并不完全符合USB 1.1标准。根据美国GigaTest Labs的调查显示,11个被当成USB 1.1合格缆线产品当中,就有两个是不符合规格的。



USB介面的标准化组织--USB Implementers Forum(USB-IF),将透过第三者提供缆线和周边设备操作性测试,而且会颁发合格标志给通过的设备。具有此标志的产品会列在该团体的网站上开让消费者取得。



虽然USB操作性测试和标志系统已存在一段时间了,但是仍然无法知道最终的产品是否已针对侦测出的问题加以修正。换句话说,人们无法判定标志对于该产品是否真的有意义,因此,USB-IF将开发新的标志。英特尔也计划自2000年第四季开始启用新的标志,此团体透过已获认证的第三者来处理测试服务。美国的Contech Research Inc和National Technical Systems(NTS) Corp在缆线和连接器方面已获认证,而比利时的Professional Interactive Media Centre NV已在周边设备测试方面获得认证。但是这些组织还需要一段时间才可提供原型完整的测试服务,新的标志也将应用在USB 1.1的产品上,USB 1.1合格产品的整体标志规划正被仔细地审查当中。不过,是否是「换汤不换药」则仍然有待观察。



发展进度


USB 2.0的合格IC已经运销了,2000年的夏天,周边和PC制造商必须利用FPGA(Field Programmable Gate Array)评估晶片研制样品,但大约在秋天以前应该可以开始运销实际的产品,这将进一步加速配有USB 2.0介面的周边和PC之发展。广泛而言,这三个USB 2.0合格IC(图三)分别是PC中内建的主控制器IC、外部储存装置、扫瞄器、印表机等等所用的周边IC,以及提供USB 2.0介面分支的中枢器之中枢器IC(USB Hub IC)。



《图三 三种类型的USB 2.0 IC》


主控制器IC和周边IC的评估晶片样品已经开始交货了。由于中枢器IC的电路比USB 1.1还要复杂许多,因此中枢器IC的发展可能会落后其他晶片,似乎会在2000年下半年开始运销,但是由于周边设备作业可以只用主控制器和周边IC来设计制造和验证,因此这对于周边设备发展应不会有太大的问题。



1.主控制器IC:


即将于今年下半年在市场上推出的主控制器IC,是单晶片化的USB 2.0及US​​B 1.1控制器(图四),这是为了可以包括USB 1.1和USB 2.0标准所研发的装置控制器。如果没有安装USB 2.0的合格装置驱动软体的话,晶片的功能就如同一个USB 1.1的合格主控制器一般。在这种情况下,内部埠配置电路将会连接到USB 1.1控制电路和实体层。



《图四 主控制器IC架构》


如果USB 2.0驱动软体存在的话,埠配置电路将先连接USB 2.0控制电路和实体层电路。如果在介面上侦测到USB 1.1的合格装置时,那么只有该埠的实体层会被转换成USB 1.1控制器。英特尔计划逐步去除主控制器IC的USB 1.1控制电路,并且整合一个中枢器IC控制器,使它可以连接符合USB 1.1的设备。



NEC在主控制器IC的发展上是居于领先的地位,其样品运销已在2000年4月开始,而量产则排定在近期开始。该公司的主控制器IC具有一个PCI(Peripheral Component Interconnect)汇流排介面,除了被装置在母板上之外,NEC还希望可以将它放在PCI汇流排扩充卡上。它也有一个内部的实体层,因此不需要外部的实体层IC。英特尔最快也要到2001年才会推出其具有USB 2.0主控制器的晶片组;因此,在那之前,周边设备必须透过具有主控制器IC的扩充板来支援USB 2.0。飞利浦电子(Philips Electronics NV)、美国的朗讯科技(Lucent Technologies)及其他厂商都已经开始开发这种电路板。



2.周边设备IC:


USB 2.0的周边设备IC最初将会做成多个晶片组的形式(图五),这和一开始就将逻辑和实体层单晶片化的主控制器IC不同。这是因为虽然只需要一种主控制器IC,但是,如扫瞄器、印表机及CD-ROM等各种不同的周边需要许多不同类型的控制电路。




《图五 USB2.0 IC量产进度》



自2000年下半年开始运销的周边设备IC中,大部分都是专为在实际周边中搭配控制器IC使用而设计的一般用途产品。因此,它们大部分都会配有一个整合装置电子/AT转接器封包介面(IDE/ATAPI),或是一般用途的汇流排介面,以便可以和微控制器直接连接。采用既有的控制IC可以缩短研发周边设备所需的时间,而且因为单晶片的控制器可以搭配许多类型的周边使用,量产之后应有助于成本的降低。



具有一个内部IDE/ATAPI介面电路的IC是最普遍的装置类型,目前正由美国Cypress Semiconductor、In-System Design和NEC等厂商研发当中,使它可以相当轻易地搭配例如CD-ROM和DVD等已有IDE/ATAPI介面的外部储存装置来使用USB2.0。美国的NetChip Technology所推出的产品已有一个一般用途的汇流排,它是专为和周边微控制器的外部汇流排连接而设计的。



预定在2000年下半年运销的一些周边设备IC,将不会整合实体层电路,因为这将需要额外的设计和测试时间。 In-System Design考虑整合实体层电路,但是他们决定先不放在第一代的产品中,因为开发时间表并不许可。



参与实体层电路巨集设计的Innovative Semiconductor,提供了一个评估其巨集技术的实体层IC,并且最近决定将它量产,以便满足逻辑层IC制造商的需求。很显然地,这有助于在整合任何类比电路之前,先在逻辑层IC的阶段完成数位电子回路的除错。但是,如果使用实体层IC的话,成本肯定比整合式的要高。目前USB 2.0实体层IC的成本在2至5美元之间,如果整合了逻辑层电路的话,将会增加晶片的尺寸,但是成本只增加不到1美元。



一些制造商正透过其他厂商的协助来整合实体层电路,NetChip Technology将他们自己的实体层电路整合在USB 1.1产品中,但是基于时间的考虑,他们决定发包给精工爱普生(Seiko Epson)来处理他们USB 2.0晶片的设计。在周边设备IC制造商的极力推广整合之下,业界正朝向标准化实体层巨集前进。美国的inSilicon这家公司,还有英特尔及其他七家来自日本、美国和欧洲的公司,在2000年3月定义了实体和逻辑层介面的USB 2.0收发器巨集介面(USB2.0 Transceiver Macrocell Interface ;UTMI)规范,目标是让人们可以设计一个UTMI的合格逻辑层IC,以及可以更轻易地整合巨集成为单晶片。在此规范下,逻辑层IC的介面也可以用来直接连接实体层电路。



朗讯科技和Innovative Smiconductors现在正为那些计划逐步整合UTMI实体层电路的制造商们研发合格的UTMI实体层IC。 UTMI定义了逻辑层电路8和16 bits的数据汇流排,然而大部分的IC制造商似乎比较可能选择16 bits的汇流排,这是和逻辑层IC的外部介面作业频率问题有关。晶片制造商是以标准的资料库线路来设计逻辑层IC的,但是要以标准的资料库线路执行60MHz是很难的。如果外部汇流排的作业频率降至30MHz时,那么就可以用一个16 bits的实体层IC来达到480Mbit/s。



16 bits IC的价格当然比8 bits IC来得高,但是此一较高的成本大部分是由于包装上有较多的接脚所致。实体层电路只有大约6,000个电闸,因此晶片的尺寸和成本视接脚的数量而定。在大约2001年以前,预计当UTMI合格巨集面世时,周边设备IC将整合实体层IC以便将成本降至最低。



3.中枢器IC:


中枢器IC的样品运销预期会落后主控制器或周边设备IC。据微软表示,他们必须先收到各家厂商的评估晶片,以便验证装置驱动器的操作状况,但是该公司一直都还无法取得任何的中枢器IC进行评估。



造成中枢器IC准备情形落后的主要因素,是采用了分散处理功能,以便有效地在480、12和1.5Mbit/s下控制数据传输。当主控制器发出一项存取要求给中枢器IC以便存取一个USB1.1的合格装置时,就会发生分散处理(图六)。




《图六 USB Hub IC分散处理》



主控制器IC首先将存取要求交给中枢器IC处理,并且释出讯号串给其他的存取要求。在短暂的停顿之后,它会询问中枢器IC看它是否已准备好可以回应,如果此条件符合的话,它会收到所需的数据。换言之,中枢器IC将取代主控制器IC以USB 1.1的合格装置来处理USB 1.1数据交换的程序。这样可以防止当由12或1.5Mbit/s 的USB 1.1装置存取和回应要求时,而造成480Mbit/s讯号串的使用效率降低。由于支援分散处理,预估从USB 1.1跨至USB 2.0时,中枢器IC的电路大约要加倍的复杂了。



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