USB界面技术之应用

 

　　USB发展简史

　　自从IBM计算机于1981年提出开放架构的PC规格以来，计算机的操作运算速度及使用者接口朝向更快速、精简的路迈进，然而延伸PC架构接口的发展趋势，目前以USB 2.0及IEEE 1394最令人津津乐道;而Intel于2000年4月正式推出免费授权的USB 2.0版架构，使得原本早期的USB 1.1接口如虎添翼，传输速度由12 Mb/s跃升为480 Mb/s的高速版本(High Speed)，并且具有容易使用、热插拔、同时可支持127个外围设备(如USB Hub/集线器这类的辅助装置来把这些设备接上)等特点，虽然USB 2.0与IEEE 1394两者接口在市场上仍存有许多重迭的灰色地带，特别是现在到处充斥着『家电信息化』或『信息家电化』的未来趋势，更使得两大门派增添不少想象空间，不过就目前的PC相关外围市场而言，以Intel捍卫PC市场的决心来看，似乎让USB 2.0接口除了可巩固现有市场(USB 1.1)外，尚可更快加速扩大现有的市场，而IEEE 1394若想要在这个领域超越的话，似乎还得再加把劲。

　　当初制定USB的目的有三个：Ⅰ.使个人计算机具备通讯的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具备强大的扩充性。由这三点可以清楚的知道USB接口能够轻易地连接PC外围产品，使用者不需因不同的外围装置而需找其对应的埠(Port)连接。至于市场的预测主要以PC为主，其中98%~99%的个人计算机皆有USB接口，其主要外围应用产品以鼠标和键盘为主。表1为In-Stat对2001～2004年USB的市场预测。

　　USB规格的厂商共同设立了一个『USB应用者论坛(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非营利组织。而USB-IF 是一个以技术支持为首要的组织，目的在于接受各界对USB技术研发与应用建议的论坛。并且为促进高品质并具有兼容性USB设备研发、规格 测试等做产品的推广。同样地USB也和其它业界规格(如IEEE1394、DVD、DTS等)一样，USB1.0及USB2.0皆具正式卷标，而产品贴上USB2.0规格的卷标，便代表它与其它同样具有USB2.0规格卷标的外围正常使用，并且已经过完整测试及具有兼容性。其测试项目如下：

　　Ⅰ.适配卡、主机板及系统

　　(1)电源提供测试(Power Provider testing)

　　(2)传出讯号品质(Downstream Signal Quality)

　　(3)通用性(Interoperability)

　　Ⅱ.全速与低速集线器(不含高速支援)

　　(1)电源提供测试(Power Provider testing)

　　(2)传出讯号品质(Downstream Signal Quality)

　　(3)回传讯号品质(Upstream Signal Quality)

　　(4)设备架构测试(Device Framework Testing)

　　(5)互通性(Interoperability)

　　(6)平均电流消耗(Average Current Consumption)

　　Ⅲ.全速与低速外围

　　(1)回传讯号品质(Upstream Signal Quality)

　　(2)设备架构测试(Device Framework Testing)

　　(3)互通性(Interoperability)

　　(4)平均电流消耗(Average Current Consumption)

　　其中『互通性(Interoperability)』为衡量软件质量的一个重要指标。它指一个软件系统接收与处理另一个软件系统所发送的信息能力，反映该软件系统是否易于与另一个软件系统快速连接的接口。一般可用下列三点来评价：

　　Ⅰ.模块化：该软件所具有的模块结构能力。

　　Ⅱ.通信通用化：该软件使用标准通信协议和接口例行程序的能力。

　　Ⅲ.数据通用化：该软件使用标准数据表示的能力。

　　另外在设计USB 2.0设备时，还要注意到防治电磁干扰(EMI Remediation)、机身接地(Chassis Grounding)、布线设计(Trace Layout)、设备封装(Device Packaging)、电路板设计(Board Layout)及数据讯号衰减噪声(Data Signal Attenuation/Jitter)等问题。

　　另外值得一提的是USB 2.0传输规格全新加强版─USB On-the-Go (USB OTG)，即USB 2.0的追加规格(Supplement to USB 2.0 Specification)，亦称OTG规范，是USB-IF针对USB 2.0既有标准追加上去的补充条款。它允许让各个装置都能够扮演主控者的角色，目前市场上极被看好且具明星相貌的装置─PDA、影像行动电话、数字相机、可携式硬盘及NB等装置。举例来说：当PDA变成主控装置时，可以与其它品牌的PDA做数据传输或档案交换等功能;当与行动电话接上时，可经由它上网，上传或下载讯息;当与打印机接上时，即可打印图片或档案;当与数字相机接上时，便可以储存或交换影像图片档案;连接上硬盘时，亦可备份或储存数据。同理，其它装置变为主控装置时，亦可与被控装置做多元化变换的功能，是谓广泛又富高度的弹性。

　　以下就USB市场所衍生的相关产业做详细的分析：

　　闪存市场

　　手持或携带式电子产品等，强调电源节约度的产品已广泛成为下一世代的主要需求，而非挥发性内存在近年来的应用日渐重要。在此范畴中的产品包含Flash Memory、Mask ROM及EEPROM(反之则为DRAM及SRAM)。其中又以Flash Memory可重复读写并且存取速度快而最受瞩目。

　　Flash Memory之所以能够在未施予外界电源的情况下，而仍能保存数据的主要原因，在于内存组件本身具有与外界隔离的悬浮闸(Floating Gate)，经由良好的设计与制造程序，此一称为悬浮闸的区域可长时间储存电荷而不致流失，故数据可被妥善保存。当欲抹除所储存的数据时，则仅需藉由操作电压的改变，即可将保留于悬浮闸中的电荷移去。另外Flash Memory的优点尚包含：在恶劣的环境下(震动、摇晃、强烈的温差)依然有相当高的可靠度、嵌入式系统中依旧有相当便利的覆写数据能力及非挥发性(数据不需依靠持续充电维持)等。表2为Flash与DRAM产业特性的差异分析表。

　　根据IC Insight的统计，Flash Memory主要的应用是在于通讯、消费性及计算机相关的3C产品上，如图1所示。三者合计约占整体市场的84%。倘若进一步将Flash Memory依结构与工作原理区分，根据Dataquest预估的数据显示，去年适用于储存程序代码的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦称为Code Flash)之产值约占Flash总产值的80%左右，其余则为适用于一般数据储存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦称为Data Flash)。图1为Flash应用领域之产值比重分析图。

　　一般而言，Flash可分为两大类，NAND Type及NOR Type。NAND Type Flash因存储元件尺寸较小，主要用于储存数据，容量较大，目前主流为64MB、128MB，今年底前1GB产品应可问世，其产品多搭配MP3随身听、数字相机、PDA、行动电话、掌上型计算机及数字摄影机等做为储存影像、音乐及一般数据之用。由于在使用上，受上述可携式产品体积限制的影响，而无法内建庞大容量的内存;因此NAND Type Flash有超过八成以上的比例是封装成小型记忆卡以供消费者做为外加之用。依小型记忆卡的市场现况推论，笔者认为NAND Type Flash现阶段主流容量约为64Mb与128Mb。不过随着厂商致力于制程微缩，每位NAND Flash的制造成本正快遽下滑，因而可以预期不论是消费者购买外加记忆卡的数量或硬件产品中内建NAND Flash之容量将明显增加。图2为Dataquest对全球NAND Type Flash的市场预测图.

　　NOR型的主要的应用为程序代码的储存，容量相对较小，但具有存取快速的优点，行动电话的需求量为其最大的用途，目前市场行动电话主流规格容量为16MB，几乎为2001年的倍增，占NOR Flash整体需求的47.3%，其次为Set-Top Box、计算机主机板、局域网络路由器及光驱。为配合行动电话产品之发展，现阶段NOR Flash的容量是以8Mb、16Mb及32Mb为需求的大宗。由于包含行动电话在内的各种产品功能将日趋复杂，每一产品对NOR Flash的单位用量可望随之提升。因而Dataquest预估，NOR Flash用量前五大的产品至2004年为止，复合成长率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode营运模式的需求下，对容量的要求更高，高达32MB，未来在2.5G、3G出线后，容量势必将再向上倍增。图3为Dataquest对全球NOR Type Flash的市场预测图及表3为Flash之特性与应用表。

　　美国PDA Buzz网站最近刊登了一篇消费者最常使用的PDA周边附属产品调查，时间为2002年4月，有效样本为1535份，由表4得知，最常使用的仍是记忆卡，占34.4%，目前PDA的扩充槽接口，多半是以内建CompactFlash Type II和Secure Digital(SD) Card为主，且以目前和未来PDA的发展趋向而言，似乎新推出产品都趋向以SD Card为主流。再者其次是键盘，占21.8%，一般而言，在操作计算机时，皆以键盘输入为主，而操作PDA时，尤其是输入文字较多时，以键盘输入较为方便。第三则是数字相机，占12.1%，PDA加上数字相机所占的比例近五成，由于两者可产生多元化的变换应用，对于一些需要实时影音的撷取、传递影像的特定行业应用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，则因整个通讯传输环境尚未建置完善，再加上传输速度尚受限，因此消费者对于此类的外围附属装置需求会较少。

　　对Flash而言，将Flash整合进其它芯片的Embedded Flash就成为一种趋势。一旦整合芯片，有成本上的考量时，厂商就有可能采取Embedded Flash的方式来减少空间。并随着次微米的制程技术及先进的封装技术(传统采用TSOP封装方式，现在则流行使用CSP封装方式)来缩小芯片的面积，在低耗电、高密度及小体积等要求下，Multi Level Cell 与Multi Chip Package的Flash Memory产品将是未来发展的重要趋势。