四条线路开创无限发展空间。 USB仍是当今PC与PC周边装置普及率最高的连结标准。任何你想像的到电子产品，如：电话、印表机、麦克风、玩具以及喇叭等，都可以用USB连结。有趣的是，虽然大家都知道USB这个东西，并几乎天天使用它，但却很少人了解USB的技术原理及其应用的演变过程。

事实上，许多人将USB视为一个理所当然的产品。认为USB是既定的标准介面，提供给各种新型PDA、MP3随身听、印表机、外接硬碟机等装置使用。的确在大多数的状况下，这些新装置确实采用USB来执行连结的动作。而对于那些使用专利型或非标准连结介面的装置而言，其连结技术极可能还是USB；某些设计业者甚至将USB当成是专利型连接头，就像Xbox一样？ ！ USB是如何整合至这些装置的呢？哪些是USB的重要应用领域呢？而USB的发展前景又是如何？这项技术到底隐藏了什么秘密？以下内文将会有详细的说明。

《图一 典型的USB主机端与周边端之间的通讯模式》

USB的运作原理

在USB的世界中，使用者必须了解当两个装置互相连结时，必须有一个装置扮演主机端（master或host）的角色，另一个装置必须扮演周边端（slave）或（peripheral）的角色，如(图一)。这种主/从关系让两个装置间能顺利进行资料的传输而不会发生冲突的情况，例如：不管与任何一个装置连结，PC皆会扮演主机端的角色，并负责控制汇流排上所有的通讯作业。任何一种外部或周边装置连结到PC时，只有主机端PC才能下达通讯指令。由主机处理器控制所有作业的模式在PC环境下运作得相当顺利。

《图二　高速（high-speed）USB的标志》

当一个装置第一次连结至USB主机端系统时，会开始进行装置列举（enumeration）的设定程序。在装置列举的过程中，主机端PC就会要求新连结的周边装置必须表明自己的身份。每个USB装置必须拥有一组独一无二的厂商识别码（Vendor ID；VID）以及一个产品识别码（Product ID；PID）。随后主机端会为该周边装置寻找已安装在PC里的USB驱动程式。大部分常见的PC周边装置例如：滑鼠、键盘、外接式储存设备、随身碟以及相机等，都能运用内建于作业系统中的类别驱动程式（Class Drivers）进行连结；然而较新型以及较罕见的周边装置，则必须先安装内附于产品光碟中的专属驱动程式，才能顺利进行连结的工作。这种专属驱动程式协助新型周边装置与内建于主机端CPU中​​的应用软体及其他驱动程式连结。当装置妥善连结到主机端时，就可以开始进行资料传输以及装置间的通讯工作。

有线USB具备三种资料传输速率，分别为：每秒1.5 Mbits的低速USB传输模式、每秒12 Mbits的全速USB传输模式，以及每秒480Mbit的高速USB传输模式。

特别要注意的是USB 2.0版本并不等于高速USB。虽然高速USB最早是以USB 2.0规格出现，但是这套规格中亦包括低速与全速的USB资料传输模式。某些不肖厂商声称 USB 2.0就是代表高速USB，但是事实上USB 2.0只有具备全速型的传输模式。因此在设计或选购USB时，请认明高速USB的认证标志，如(图二)，才能确保该产品能够支援最快速的USB传输模式。 (表一)列出一些基本的USB专业术语，能够进一步了解其拓扑与通讯传输的架构：

所有USB资料皆透过不同的讯号进行通讯传输。因此，有一条线路负责传送讯号，另一条线路则专责传输反向讯号，这样的设计让两条线路电压的总和可维持不变。在线路终端的接收装置并非读取一个讯号，而是读取传输正反向讯号的两条线路间的差值。这样的设计创造出一种精简与防止误差的资料传输模式，不仅能抵抗其他线路的干扰，而且也能防止本身因USB连结所产生的干扰讯号。这点对于连接众多线路的桌上型PC而言,USB的设计?PC使用者带来相当大的便利。

USB缆线总共包含四条连接线。其中两条负责资料传输，一条负责电力传输，而一条则是接地线，如(图三)所示 。相同的USB缆线能支援低速、全速与高速三种USB传输模式。

《图三 USB A、B两种连接头》

＜注：USB A种连接头（图左）、B种连接头（图右）以及具备Vcc、Data以及Ground的截面图。白色与绿色连接线专负责资料传输，灰色为接地线，红色则是负责电力传输（VBUS）。 ＞

这四条连接线的组态设定十分重要，主要是由于以下四种因素：(1) 缆线的成本低，可和数千种低价周边装置一同贩售。 (2)连接头的成本也不高，因此即使是非常低价的产品也能增加一个外部USB连接头。 (3)不同的讯号设计提供可靠的资料传输方式，让通讯模式既快速又稳定。 (4)搭载电源线与接地线的USB缆线，让设计人员不仅能使用USB缆线来传送资料，也能够为周边装置提供所需的电源。

USB技术如何应用​​在现今的装置中？

当我们走进像台湾的丰泽电器或美国的Fry's等大型电子产品量贩店时，可以发现USB几乎无所不在。相信读者也想问USB为何那么受欢迎？为什么有这么多厂商愿意在产品中将USB设计进去？

首先必须了解USB系统中内含的三个主要功能性区块。有了这方面的知识之后，读者将会更加了解PC周边装置设计业者是如何考量在其产品中设计USB介面：

由于USB能明确区分成以上三种主要功能，因此当设计人员在进行USB设计时，在USB整合上有许多选项或层级可供选择。虽然上述三项功能都必须确实完成设计，但是针对哪一颗半导体晶片负责执行哪一部分的作业，系统中并没有明确的标准规定。 (图四)显示递增的USB整合度。

由于每种设计模式都有其优点与缺点，设计人员必须针对本身的特殊设计需求选择出最佳的设计模式。

许多人或许会认为随着USB技术日趋成熟，未来所有新装置都会将USB整合至主处理器，但事实并非如此。实际上，自从USB第一版规格公布以来，大多数的应用皆依循相同的整合途径。业者首先会开发像视讯处理等的核心功能，并运用外部USB元件；之后，ASIC元件的量产确保USB收发器元件可运用额外的晶片空间，因此，USB就被整合至ASIC元件中。一般而言，厂商在开始研发晶片之初，通常不愿承担USB设计所带来的额外风险。但是当外部USB的研发经验累积到一定的程度后，设计厂商开始有足够的信心与专业能力从事内部功能整合的工作。因此，上述四种USB设计模式在现今的技术市场中皆有不少厂商采用。

《图四 显示外围端系统中递增的USB整合度》

USB的重要应用领域

毫无疑问地，PC滑鼠与键盘仍是USB主要锁定的市场。在每年出货量达数亿颗的规模下，USB这种低成本解决方案是相当符合市场需求的技术 。然而，还有哪些应用也渐渐地在市场上占有一席之地？而USB技术发展的新趋势又有哪些呢？

由于USB具备了优异的连结功能，上述所有应用于今年开始将会持续发展，而市场也将会随之成长。

手机+ MP3随身听──现今全球最受欢迎的潮流就是在手机中整合MP3随身听的功能。随着USB应用领域的扩大，这类MP3随身听手机现在也含有USB连结介面，例如：刚在美国超级杯期间发表的三星A900手机。这款内建照相功能的手机可透过PictBridge技术，将影像直接输出至印表机，进行列印工作，如(图五)。手机与印表机以USB缆线连结后，就能开始列印。这种功能仅透过一条USB传输线即可在手机与PC之间进行资料传输工作。

《图五 Sprint/三星的新款A900手机，可以USB链接至PC，并具备USB PictBridge技术》

支援各种可随身携带的应用产品之USB行动主机端装置──以三星A900手机为例，可看出点对点（peer to peer）对等式通讯应用的市场正持续扩大。先前曾提到，在电子应用产品的主/从关系中，PC往往扮演着主机端的角色。然而，在A900与印表机之间，却藉由Pictbridge内建的主机端功能让手机控制USB介面。另有一种能提供类似主/从功能的 USB OTG技术，亦可称为On-The-Go技术，也可让USB周边装置之间直接进行连结。

可携式媒体装置──根据市调机构Jupiter Research的调查，51％的消费者会在可携式媒体播放器上观看电影，而55％的消费者有兴趣在这类装置上观看电视节目。由以上调查结果可以得知，在影片内容合法化的前提下，行动影片无疑地将具备庞大的发展潜力，成为研发业者们兵家必争之地。微软的Portable Media Center概念即试图解决媒体的合法化问题，并运用USB作为影片内容的安全传输管道，如(图六)。

《图六 Creative Labs的Zen PMC以及三星的YH-999's口袋型PMC》

影音撷取──PC的使用已从工作场所延伸至住家与客厅，这股潮流将带动市场对影音撷取更多的需求。因为USB装置让使用者能将影音撷取装置连接至家用PC ，因此，USB装置在这类市场上仍然占有相当重要的地位。未来，虽然内建影音撷取装置可能会转移至PCI Express介面，但外接式连结装置仍将继续采用USB技术。

储存装置──大多数内建储存装置都采用PC主机板现有的内建介面，如：SATA （Serial ATA）或PATA（Parallel ATA）。而大多数外接式储存装置则必须采用常见的USB-ATA桥接晶片。尽管笔记型电脑的小型储存装置与现今桌上型电脑专用硬碟机的容量不断扩增，但外接式硬碟机仍是家庭与小型办公室经常会选择的备份装置。

与上述多种行动应用一样，USB技术的另一项趋势就是在不需电源插座的情况下即能进行USB介面传输。行动装置不再需要使用外部电源，就可连结USB的技术直到最近才实现。

在USB环境中，装置在进行组态设定之前，仅能从USB缆线取得100mA的电力。而在装置列举的过程中，装置可要求最高达500mA的电力模式。然而，这必须依赖主机端是否能提供要求的电力，电力的供应与否进而影响装置列举（或连结）的程序是否能顺利完成。因此，电力限制的因素将会影响设计业者决定开发采用汇流排供电（bus-powered）或自行供电（self-powered）的应用产品。

根据USB规格，USB装置有两种供电设计，一是可透过USB缆线使用汇流排供电；另一种则是使用电池或由墙壁上电源插座所提供的电力自行供电。此外，USB透过USB连结埠使用汇流排供电的装置具备两种电力规格，一为高功率连结埠（High Power Ports）。此种电力规格能为下游装置提供500mA的电力。另一种为低功率连结埠（Low Power Ports）。此种电力规格仅能为下游装置供应100mA的电力。为什么有两种不同的电力规格呢？低功率连结埠最初的目的是支援使用汇流排供电的集线器。这些装置先从上游连结埠取得500mA的电力，内部自行使用100mA，并为每一个下游连结埠个别供应100mA的电力，如(图七)所示。

《图七 主机端PC与集线器的电源组态》

使用汇流排供电的USB装置从USB问市之初就已经存在了。然而，在USB 2.0规格加入高速（480Mbps）资料传输模式后，就没有USB矽元件厂商能够开发出在100mA限制下进行装置列举作业的高速USB控制器晶片。也就是说，当内建新型高速USB元件的周边装置试图要进行连结时，因电力超过100mA的限制，使得装置无法妥善地设定组态。明智的设计业者必须了解元件的功率特性，才能避免连结失败的问题。

USB何时会无线化？

预估在2006年就会有采用无线USB技术的新产品开始问市。无线 USB（Wireless USB；WUSB）是USB技术的延伸规格，让周边装置与消费性电子产品更容易连结到主机端PC。随着市面上出现许多新型消费性电子产品，市场对这种新型介面的需求将持续成长。无线USB是采用超宽频（Ultrawideband；UWB）技术，能在两公尺（约6.6英呎）的距离内支援480Mbps的资料传输速率。若传输速率降至110Mbps，UWB甚至能达到更长的传输距离（最高可达10公尺或约30英呎）。对于住家与办公室环境而言，这项技术相当实用。然而，和有线USB一样，有两项因素会影响无线USB的成败：价格与功耗。若研发业者无法降低价位让产品普及化，或是无法减少功耗以致于电池电力快速耗尽，消费者就不会支持这类昂贵且使用不便的产品。

尽管仍有待克服的问题，但产业分析师对于无线USB在市场的发展前景均抱持乐观的看法。市调机构InStat的报告指出，预期2006年将会有经过认证的无线USB（Certified Wireless USB）产品问世，并预期无线USB市场在2007与2008年会有显著的成长。整体而言，预计无线 USB产品的出货量在2006年至2009年期间会有193％的年成长率。

若上述预测成真，随着消费者要求更高品质、更低成本，以及更快连结速度的USB（不论有线或无线）装置，未来十年，业界将进入学习、整合​​以及开发各种崭新且独特应用产品的新纪元。

延 伸 阅 读

USB提供可扩展的、可热插拔的随插即用的序列介面，提供标准且低成本的周边装置连线方式，如键盘、滑鼠、摇杆、印表机、扫描器、存放装置、数据机、视讯会议录影机。建议所有使用旧版连接埠（如PS/2、序列与平行埠）的周边设备装置改用USB。相关介绍请见「USB架构」一文。 在消费电子领域中，USB介面之渗透率以Digital Cameras、Digitial Music Players、PDA、Video Game Consoles、Digital Camcorders渗透率较高，约50％～90％不等，未来五年内亦将维持在6​​0 ％以上之渗透率，至于Set-top Box与Mobile Phones目前渗透率极低，仅为1％左右，未来五年成长有限。「USB在消费电子市场之渗透状况」一文中得到进一步的介绍。 USB是个人电脑历史上最成功的周边装置界面，USB 2.0正逐渐取代第一代标准，适合支援大量储存的个人电脑周边装置，包括可携式数位音讯播放机、外接式硬碟、ZIP磁碟机、CD烧录机、DVD烧录机、高密度PCMCIA Type-II读卡机、MO机和其它各种装置。在「USB 2.0-ATA/ATAPI桥接元件支援缆线供电型储存装置」一文为你做了相关的评析。

市场动态

Alereon即将完成一款针对无线USB市场的整合超宽频（UWB）晶片设计。该公司准备在2006年第一季推出该晶片的样片，目前并正着手于多方面的努力，以便在主要的海外市场上获得超宽频执照。相关介绍请见「超宽频IC瞄准无线USB应用」一文。 瑞萨科技（Renesas）推出R8A66597双埠USB主控制器，此低功率装置可嵌入DVD录放影机或建有USB埠的音响设备中，可支援所有USB 2.0规格定义的资料传输速度，包括高速（ 480Mbps）、全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps），并备有双埠组态和操作温度范围-40°C～85°C的耐温版本，因此亦可应用于汽车电子的音响和导航系统。你可在「瑞萨退出耐温-40°C~85°C的嵌入式双埠USB 2.0主控制器」一文中得到进一步的介绍。 Cypress的超小型USB 2.0可编程微控制器EZ-USB FX2LP采用56接脚VFBGA封装，面积仅5x5mm，球型接脚间距也只有0.5mm，适合在手机、可携式媒体播放器、PDA以及网路摄影机等各种小型规格或使用电池供电等应用中建置高速USB介面。在「Cypress新款USB2.0 MCU降低50%耗电量」一文为你做了相关的评析。