USB标准适用于哪些应用 - 全文

USB标准适用于哪些应用

通用串行总线 (USB) 外设接口已广泛应用于所有个人计算平台及众多工业和基础设施平台。不过，与此同时，人们对适用于给定应用的 USB 版本，如 USB 1.0，USB 1.1，USB 2.0，On-the-Go (OTG) 或 WirelessUSB (WUSB) 等，还不太清楚。随着 USB 1.1 规范的发布，以及 Microsoft 操作系统为这一标准提供原生支持，这使得 USB 主机接口在 PC 中快速普及，同时也使众多外设由传统接口，如串行 (RS-232)、PS-2（鼠标和键盘）和并行端口（打印机使用的 Centronix 和 IEEE-1284）等，向这种新型通用接口标准过渡。

随着 USB 2.0 规范的发布，使高速连接成为可能，USB 外设的数量出现激增，从而大幅改善了最终用户的使用体验。本文上半部分讨论了 USB 标准的发展，下半部分将讨论常见的应用，并介绍给定应用采用哪种 USB 标准最好。

选用 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 还是 WUSB？

我们不妨先来简单看看不同 USB 版本之间的差别，以此作为本文的基础。目前常用的标准为 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 和 WUSB。在许多情况下，这些不同标准会使工程师和最终用户产生混淆。USB 2.0 是 USB 1.1 的官方正式升级版，提供了如下三种数据传输速率：

• 1.5 Mbps 的低速 (LS)
• 12 Mbps 的全速 (FS)
• 480 Mbps 的高速 (HS)

前两种速率的定义与 USB 1.1 完全相同。USB OTG 是USB 2.0 规范的补充，定义了新的设备类型。此外，还扩展了外设产品的功能，增加了有限的主机功能。OTG 设备能支持 USB 2.0 支持的所有速率。Certified WUSB 是最新的标准扩展版，定义了无线接口，将有线 USB 技术的高速和安全性与无线技术的易用性相结合。Certified WUSB 通过 WiMedia Alliance 开发的常见的 WiMedia MB-OFDM 超宽带 (UWB) 无线电平台来支持稳健的高速无线连接，连接距离为 3 米时最高数据传输速率可达 480 Mbps；连接距离为 10 米时最高速率可达 110 Mbps。每种版本都有其优缺点。通过全面了解每种技术的成本、功耗及吞吐能力，有助于我们确定哪种标准最适合给定的应用需求。

低速与高速 USB

低速 USB 的最大优点就是低成本、低功耗。当数据传输速率为 1.5 Mbps 时，尽管收发器的速率很有限，但成本和功耗也很低。其明显的缺点就是数据吞吐能力不高。如果数据传输速率为 1.5 Mbps 的话，那么实际数据吞吐能力还不到 1 Mbps，因为 USB 规范本身还会有一些开销。与之相对的高速 USB 数据规范，其数据吞吐能力很高，但同时也会导致成本增加，功耗大幅提升。实际 USB 控制器的成本高于全速或低速 USB。电路板实施的成本还会更高，因为相比于 12 Mbps 乃至更低的速率，当速率高达 480 Mbps 时，确保传输质量就是一个很大的技术问题了。

全速 USB 填补了低速和高速之间的空白，其数值处于三种矢量之间。

由于 USB OTG 可采用这三种速率中的任何一种，因此在比较 USB OTG 的不同速率版本时，上面讨论的问题同样适用。我们不妨将 OTG 与标准有线 USB 进行比较。USB 规范最初的目的之一就是通过主机而不是外设完成大部分处理工作，从而实现低成本的外设连接方式。这就决定了 USB 以主机为中心的本质，从而有助于大幅降低外设连接实施方案的成本。处理功能的成本主要由 PC 承担，而不是由外接到总线的不同外设承担。OTG 改变了这一机制，在标准的 USB 外设上集成了有限的主机功能，不管这种外加的功能多么有限，都会提高外设的成本。成本的提高不仅涉及到支持主机功能的 USB 控制器硅技术，还涉及到整个产品，其中包括与主机功能相配套的更高的存储器与处理功能要求等。USB OTG 的一大优势在于，它能在没有电脑的情况下实现 USB 设备的数据共享。我们在稍后讨论有关应用时将给出具体实例和案例研究。

Certified WUSB 相对于有线 USB 的最大优势在于易用性，无需线缆即可在电脑与外设间进行数据传输。此外，在不用 USB 线缆的情况下，您还能直接为许多外设供电，所需设备可通过标准的 AC 适配器或电池自供电。

人机接口（或输入）设备

人机接口（或输入）设备 (HID) 应用的实例包括鼠标、跟踪球、键盘、游戏杆和游戏控制器等。通常，这些设备都采用中断数据传输方式，并通过主机定期轮询来确定其是否要向活动应用提供数据。鼠标数据轮询的时间间隔通常为 8ms，可传输 32 位数据；键盘的轮询间隔与鼠标相同，可传输数据为 64 位。更高级一些的游戏杆和游戏控制器（带多个按键，支持力反馈技术）轮询间隔也是 8ms，每次请求发送 6 字节数据，这样最大数据吞吐能力约为 8 Kbps (0.008 Mbps)，比低速传输速率 1.5 Mbps 的标准要低很多。不管人们打字或按键的速度有多快，都不会超过低速 USB 标准的支持范围。因此，HID 设备的带宽消耗很低，近期还不会超出几个 kbps 的范围。这种应用低速标准的设备有助于降低成本。

这种设备一般也不会支持主机功能，这是因为添加主机，同时相应要提高处理功能，从而会增加成本，因此这种设备也不会成为全速 OTG 设备。这种设备非常适合作为支持 OTG 设备的外设，比方说便携式键盘，在没有电脑的情况下，通过该键盘可向个人数字助理 (PDA) 或移动手持终端中键入内容。不过在这种情况下，我们要考虑当前 USB OTG 规范规定的 8 mA 电流能否满足有关应用的要求，是否需要采用电池。

无线鼠标和键盘已问世多年。事实上，我正用这种设备来输入本文。每种设备都采用制造商专有的无线解决方案，都需要无线收发器插入标准 USB 端口，以实现到 PC 的连接。在众多情况下，除非为新设备购买或添加新的收发器，否则我们不能简单更新鼠标或键盘，也不能在系统中添加更多无线 HID 设备。通过采用 Certified WUSB 支持的标准化实施方案，我们能解决上述问题。任何新的 Certified WUSB 键盘、鼠标或游戏杆都能像标准的有线 USB 外设一样直接连接到系统。就近期而言，我们还需要外置 Certified WUSB 收发器来支持连接功能，不过在今后几年，这种 Certified WUSB 收发器将会集成到电脑中，这样就不再需要外置收发器，从而进一步降低了实施外设连接的成本。HID 设备采用无线解决方案的一大劣势在于，设备需要电池。有线解决方案则能从 USB 线缆获得所需的所有电力。

海量存储设备

海量存储类 (MSC) 设备包括外置硬盘驱动器 (HDD)、DVD-RW、CD-RW、闪存卡读卡器、ZIP 驱动器、磁光盘 (MO) 驱动器及 USB 闪存驱动器等。在选择 USB 速率时，要确保 USB 连接不会成为数据传输的瓶颈。举例来说，图 1 显示的是假定没有瓶颈时数据传输所需的理想速率，我们由此可以看到不同目标应用需要哪种 USB 速率。如果我们假定带宽使用为理想状态（无开销），我们就可以分析出在驱动器和 PC 之间传输 1 GB 数据所需的时间。

图 1. 理想状态下传输 1GB 数据所需的时间

显然，理想带宽是不现实的。因此，图 1 中所列的时间要快于在实际应用中的情况。在本例中，只有高速 USB 标准才适合要求。那么接下来的问题是：Certified WUSB 或 OTG 等非标准 USB 实施方案适用于这种应用吗？

USB 闪存驱动器本身体积很小，可以方便地从有线 USB 连接获得电力。因此，这种应用不太适合无线应用。如果用电池电池供电，就会提高成本，同时也不会给最终用户带来什么额外的功能。如果闪存驱动器能支持 OTG 会话功能的话，似乎还有些用，不过也这会增加成本，相对于有限的功能增加来说，反而得不偿失。

就那些始终要连接到电脑的“固定式”驱动器而言，有线 USB 的连接更适用。用户很可能通过墙上电源连接供电，因为这样最适合该类型驱动器的供电需求。如果设备是“移动”或便携式的，那么 OTG 或 WUSB 可能更为适用。通常，移动设备都不是独立的设备，而是具备某种消费娱乐功能的设备，例如 MP3 播放器、数码相机 (DSC) 等，也可能是通过 HDD 扩展存储容量的移动电话/PDA 等。无线连接非常适用于上述这些设备。最终用户只需走到办公桌前，将设备放在 PC 边上，由于众多设备都采用非标准的 USB 连接器，因此立即就能实现文件与 PC 的同步，不用再为找线缆连线而头疼了。OTG 也是一种合适的选择，特别适用于相机和打印机的互连，也能让移动电话/PDA 彼此通信。

数码相机

不管分辨率有多高（从 VGA 至 800 多万像素），数码相机 (DSC) 的特点都很相似。目前，所有相机都通过存储卡来存储数码照片，包括 CF卡、SmartMedia 和 MediaStick 等，当然也有的通过嵌入式硬盘驱动器来存储。所有 DSC 都采用电池供电，因此除了电池充电外，通常不需要通过 USB 连接获得电力。此外，这些设备可脱离计算机工作，只有在进行最后数据图形的编辑、打印、存储或传输时才会连接到计算机。

相机的存储介质类型并不重要，存储量才是最重要的。如果相机存储容量较小，那么数据很快就会占满空间，从而需要经常传输。传输频率高，就需要经常清空存储空间，这样用户才能继续使用相机。如果相机存储容量较大，其使用模式就有些像此前说过的外置存储设备，关键是要确保 USB 连接不会成为在相机和电脑间照片传输的瓶颈。与外置存储设备一样，数据管道越大，性能就越高。因此，高速 USB 显然是最佳选择。对更加关心成本的低端相机来说，要是存储量不大，也可以采用全速标准来满足其低成本要求。

DSC 这种终端设备非常适合采用 OTG 技术。如果能到店里找台打印机，不用连接电脑就能直接把相机中的照片打出来，那确实是非常理想的应用方式。不过问题是，所选的相机和打印机是否在彼此的目标外设列表上。支持 OTG 功能的 DSC 会尝试采用 USB 设备的“打印机”类驱动程序，但如果打印机需要特殊驱动程序才能打印高质量相片的话，这就会产生问题。相反，如果让打印机作为主机，这样打印机就能支持海量存储外设，相机与打印机线连就像相机与PC连接一样，从而可以实现对相机的存取。现在许多照片打印机都内置闪存读卡器，这对支持 OTG 功能的相机和照片打印机市场都产生了较大影响。

考虑到 DSC 的便携性，在向 PC 传输照片以清空相机的存储空间时，Certified WUSB 似乎也是一种理想的选择。不过唯一潜在的问题是，在 DSC 中采用 WUSB 标准，会增加成本，而 DSC 本身对成本控制是非常重视的。不过，我们可以通过这种技术省去连接线缆的麻烦，而且相机本身也不用再配备 USB 接口，这或许会抵消支持 WUSB 标准所带来的成本问题。显然，如果 WUSB 还不能做到像目前有线 USB 一样普及的话，那么取消 DSC 上的 USB 连接器就不可能实现。

便携式媒体（音频或视频）播放器

与 DSC 一样，便携式音频或视频播放器也涉及到存储类型与容量的问题。存储类型有两种，一是硬盘存储，二是闪存存储。就用户的同步应用而言，前面关于 DSC 的问题同样也适用于这种设备。对这种设备而言，只有高速 USB 才是真正最适用用的解决方案，不过对极低端的设备而言可能例外。DSC和便携式媒体播放器 (PMP) 的唯一本质区别在于，PMP 可能在回放中要求支持向 PC 同步实时传输数据流，或者采用 OTG 技术来直接将实时数据流传送至扬声器／耳机系统。我们会看到，除了极高端的新一代音频格式之外，全速 USB 更适用于同步音频流应用。不过，在处理实时视频流时，频宽会猛增到 30 Mbps 左右，因此需要高速连接。与 DSC 类似，这种设备也很适合采用 OTG 和 WUSB 连接。在此情况下，目标外设为扬声器或耳机，而不是打印机。

移动电话／个人数字助理 (PDA)

这种设备的使用模式与DSC及PMP比较类似。我们同样要考虑，需要多大存储容量？随着这种设备新增 MP3 播放器、百万像素相机等更多功能，以及联系人数据库的规模增大，其存储容量也在迅速扩大。随着存储容量的扩大，同步连接也需要采用高速标准。与 DSC 和 PMP 一样，移动电话和PDA 也非常适合采用 OTG 技术。它们既是率先支持 OTG 功能的设备类型之一，同时也具备 WUSB 实施方案的所有主要特性。这类设备很可能成为率先支持原生 WUSB 功能的设备，而不是通过外接无线适配器来支持。

打印机

与海量存储设备一样，打印设备首先要考虑的问题也是，数据吞吐能力的瓶颈会发生在什么地方？激光打印机和喷墨／气泡喷墨打印机的数据吞吐能力要求不一样。包括数据压缩等在内的其它打印机参数也会影响频宽要求。不过，这些特性都会影响成本，而成本对消费类设备的影响是至关重要的。

喷墨／气泡喷墨打印机是消费者最常用的设备。因此，这种设备对成本要求也是最敏感的。为了尽可能降低成本，通常由 PC 负责数据压缩工作，但这要求设备提供更高的数据吞吐能力，特别在发送彩色文件时要求更高。高速 USB 接口可支持打印机最快打印速度（以每分钟打印页数为单位）。对不带压缩引擎的打印机而言，理想频宽可达到 300 Mbps；而对带有数据压缩引擎的打印机来说，理想频宽则可降至 10 Mbps 左右，不过这会增加打印机的成本。因此，对带有压缩引擎的喷墨打印机来说，消费者尽管可以采用全速 USB 连接，但成本方面还是不合算。因此，高速 USB 连接是更合适的选择。由于本市场领域中成本非常重要，因此许多打印机仍然采用全速标准，每分钟打印的页数都不多，不过仍然基本满足消费者的价位需求。

激光打印机面向较高端的市场，因此在成本上要求不是很严格。这就可以在打印机中集成压缩功能，以便分担部分数据处理任务。通常说来，激光打印机的打印速度要高于喷墨打印机。因此，我们需要高带宽的高速 USB 接口来满足有关需求。

要是在成本敏感型喷墨打印机市场中实施 Certified WUSB 的话，很可能行不通。而激光打印机市场倒是能够承受这部分增加的成本。通常来说，激光打印机要满足 SOHO 办公应用的需求，更需要在打印机和笔记本电脑之间实现方便的连接。

若为上述两种打印机添加 OTG 功能，它们便能直接打印 DSC 或 PDA 等便携式消费类设备中存储的内容，特别适合更高端的打印机的需要，这种打印机甚至开始配置小型数码显示器，不仅能显示图片和文件，而且还可进行图文编辑。尽管这在连接到 PC 时没什么用，不过对两用 OTG 设备来说还是非常有用的。

PC 摄像头或网络摄像头

网络摄像头通常分为两类，一是采用压缩技术的设备，二是发送原始数据流的设备。这两种类型的设备都支持同步数据流。第一种设备通常以每秒 30 帧的速率对未压缩视频数据进行播放，分辨率为 640x480 百万像素；第二种设备以每秒 24 帧的速率进行播放，分辨率为 1024x768，支持 RGB-24 (24 位，数百万种色彩)。此外，大多数网络摄像头通过总线供电。与喷墨打印机一样，这种设备不同品牌差别也不大，都是价格敏感型产品。表 1 和图 2 显示了使用不同摄像头对非压缩数据的带宽要求。

表 1. 网络摄像头的带宽要求

	摄像头 1	摄像头 2	摄像头 3	摄像头 4
横向像素	640	800	1024	1280
纵向像素	480	600	768	1024
每秒帧数	30	27	24	15
位数／像素	24	24	24	24
原始带宽 (Mbps)	221	311	453	472

图 2. 网络摄像头的带宽要求

图 2 显示出，在使用非压缩摄像头时，必须采用高速 USB 标准。即便摄像头采用压缩数据，吞吐能力仍然要达到 30 Mbps 乃至更高。因此，这时我们必须使用高速 USB 连接。

USB OTG 不适用于网络摄像头应用，摄像头功能无需作为主机使用。同样，摄像头也不适合作 OTG 设备的外设，因为摄像头会要求 OTG 主机提供超过 8mA 的电流，而且这样一来会增加外接电源或要求采用电池。

同样，就 Certified WUSB 而言，功耗和成本问题也会使摄像头不适于采用 Certified WUSB 连接。摄像头的平均售价约为 60 至 100 美元。从经济角度来说，如果采用WUSB 硅技术将使摄像头的成本相应提高5至10美元甚至更高，这是不可行的。此外，要支持 WUSB 的话，摄像头制造商还必须提供 AC 电源转换器，这不仅会提高成本，而且还会让 WUSB 的便捷优势大打折扣。

扬声器／耳机

我们在考虑扬声器的同步带宽要求时，首先要做的就是了解其支持哪种音频格式，具体包括杜比数码 (AC-3)、DTS 数字环绕音响、THX 和新一代非压缩音响等。杜比数码是一种 5.1 声道的环绕音响格式，也是 DVD 视频的标准。DTS数字环绕音响也是一种 5.1 声道的环绕音响格式，是一种能够与杜比数码相媲美的类似技术。THX Surround EX 也称作杜比数码 EX，指的是支持最新 6.1 声道环绕音响格式的新版杜比数码，它通过新增位于观众身后的一个或两个扬声器，改进了原先的 5.1 声道效果。此外，还有几种音频格式也能与杜比数码相提并论，如顶级扬声器可支持 24 位、每声道 96kHz 的非压缩数据流。表 2 总结了不同格式的带宽要求，其中唯一超越全速 USB 支持能力的格式就是新一代非压缩音频。

表 2. 音频带宽要求

类型	参数	带宽要求
杜比数码	5.1 声道	448 kbps、384 kbps
DTS	5.1 声道	1.5 Mbps、754 kbps
THX	6.1 声道	1.5 Mbps
新一代音频格式	24 位，每通道 96kHz的非压缩（5、7通道）数据流	11.5Mbps, 16.1Mbps

扬声器似乎不太适合作为全面的 OTG 设备，不过它们可以作为具备OTG功能的外设，支持音频或视频播放器，其中包括如 MP3 或便携式 DVD 播放机器等。对 WUSB 而言，重点主要是高端扬声器，它们能承受更高的材料清单成本(BOM)。这种扬声器可以作为 PC 的高端游戏音响系统，也能作为家庭娱乐系统的低音炮和扬声器组合。一般 PC 扬声器（低成本扬声器，通常都随 PC 或其它低端专用产品配套提供）不会采用这种标准，因为这会提高成本，消费者也不希望为性能平平的无线扬声器多掏腰包。

相比于扬声器，耳机的带宽要求更容易被满足，全速 USB 完全可以满足有关要求。通常说来，耳机只需要 128 kbps 的带宽来支持两个高质量音频流。耳机不必支持 OTG 功能，不过作为目标外设，还是很不错的解决方案。高端耳机（平均零售价在 199 美元以上）可采用 WUSB 技术连接到 PC，支持 VoIP 等应用，也可支持 PDA、移动电话等。

未来——今后 USB 将如何发展？

为了真正评估速率需求，我们应了解哪些因素将推动速率增长。上述终端设备的发展呈现两大趋势：一是内容越来越丰富，二是存储容量越来越大。正如蛋和鸡的道理，我们说不清楚到底是丰富的内容推动了存储容量需求的增长，还是存储容量的增长催生了消费者对内容丰富性的需求。

内容的丰富性突出表现在数码相机市场上。1998 年，DSC 的平均分辨率为 100 万像素。2004 年为 500 万。现在，像素已接近 1000 万。如今，移动电话也具有支持 130 万像素的拍照功能，今后几年将向 500 万像素发展。没有任何迹象表明这一发展趋势会减速。

同时，DSC 正从光学变焦（需要庞大而昂贵的机电子系统）向数码变焦发展。数码变焦推动了更高分辨率的需求，可支持 DSC 用户在已捕获到的数码图像基础上进行放大，同时又能保持图像原始的高清晰度。这两种趋势均要求具备更大的存储容量并支持更大图像文件的传输。JPEG 拍照图像的平均大小已从 1998 年的 100 KB 上升到了目前的 4 MB。此外，还需要频繁地清空数码相机的存储空间。用户希望将内容从相机中移走，以释放更多剩余空间，接着又会很快被用完。

内容的丰富性还体现在采用了基于硬盘驱动的便携式媒体播放器上。该播放器包括 MP3 和视频播放器。大多数内容都应支持途中欣赏。电影正从标清（需 5.7GB 的存储空间）向高清格式过渡（25 GB 的存储空间）。有了 40GB 的存储空间，MP3 播放器就能存储 1 万首歌曲，这一功能正在逐步推广。

存储容量的发展超过了过去几十年的技术发展速度，甚至超过了摩尔定律。就存储容量而言，我们要考虑到硬盘驱动器 (HDD) 和闪存领域的技术发展趋势。1996 年，普通 HDD 直径为 3.5 英寸，转速为 3,600 RPM，存储容量为 540 MB。2004 年，普通 HDD 直径为 2.5 英寸，转速为 9,600 RPM，存储容量达 160 GB。HDD 的尺寸也在不断缩小，如今有些容量达 5 GB 的硬盘只有 1 英寸大小，甚至容量为 4 GB 的硬盘，其尺寸仅为0.85 英寸。这种新型 HDD 面向小型化便携式应用，其中包括移动电话和 MP3 播放器等。考虑到上述因素，从发展趋势上讲，我们可以预计，在保持当前 104% 的年容量增幅情况下（这是摩尔定律的两倍），到 2008 年，普通硬盘的平均容量（不是最高容量）将达 2,750 GB，直径将为 2.1 英寸，转速将达 15,700 RPM。闪存首次出现于 1989 年，容量为 1 MB，到 2004 年，闪存容量达到了 1 GB。若能继续保持这种发展态势，则到 2008 年，闪存芯片将支持 6.4 GB 的容量（存储容量年增长率达 58%，仅次于摩尔定律）。

我们从图 3 可以分析出在电脑和存储设备间传输 20 GB 数据所需的速率，在此我们假定带宽效率为 50%，设传输时间分别为 10 秒钟、1 分钟和 5 分钟。通常，多数用户对移动设备传输时间的忍耐极限为 5 分钟，而且大都希望传输时间为一分钟甚至更短。很少有用户会将移动设备中的全部内容都发送出来。因此，我们不妨估计，今后 USB 提速改进时可将 5 Gbps 作为一个目标。图 4 显示了在假定带宽效率为 50% 的情况下，传输不同尺寸的数据图像所需的时间。

图 3. 在电脑与存储设备间传输 20GB 数据所需的速率分析（假定带宽效率为 50%，设传输时间分别为 10 秒钟、1 分钟和 5 分钟）。

图 4. 传输不同尺寸数据图像所需的时间（假设带宽效率为 50%）。

哪种 USB 是您的最佳选择？

第一部分回顾了 PC 外设发展的简史、对通用接口的需求以及 USB 规范的演进。我们还讨论了 USB 规范本身及其对最终用户使用体验的影响。最后还回顾了规范的发展历程，介绍了当前使用的几种不同的 USB 版本。

第二部分介绍了常见的应用，讨论了不同 USB 版本的优劣势，由此确定不同应用该如何选择合适的 USB 版本。之后讨论了某些应用的未来发展，指出到 2009 年乃至更远的未来，势必需要更高级的数据吞吐管道。