USB界面技術之應用

USB發(fā)展簡史

　　自從IBM計算機于1981年提出開放架構的PC規(guī)格以來，計算機的操作運算速度及使用者接口朝向更快速、精簡的路邁進，然而延伸PC架構接口的發(fā)展趨勢，目前以USB 2.0及IEEE 1394最令人津津樂道;而Intel于2000年4月正式推出免費授權的USB 2.0版架構，使得原本早期的USB 1.1接口如虎添翼，傳輸速度由12 Mb/s躍升為480 Mb/s的高速版本(High Speed)，并且具有容易使用、熱插拔、同時可支持127個外圍設備(如USB Hub/集線器這類的輔助裝置來把這些設備接上)等特點，雖然USB 2.0與IEEE 1394兩者接口在市場上仍存有許多重迭的灰色地帶，特別是現(xiàn)在到處充斥著『家電信息化』或『信息家電化』的未來趨勢，更使得兩大門派增添不少想象空間，不過就目前的PC相關外圍市場而言，以Intel捍衛(wèi)PC市場的決心來看，似乎讓USB 2.0接口除了可鞏固現(xiàn)有市場(USB 1.1)外，尚可更快加速擴大現(xiàn)有的市場，而IEEE 1394若想要在這個領域超越的話，似乎還得再加把勁。

　　當初制定USB的目的有三個：Ⅰ.使個人計算機具備通訊的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具備強大的擴充性。由這三點可以清楚的知道USB接口能夠輕易地連接PC外圍產品，使用者不需因不同的外圍裝置而需找其對應的埠(Port)連接。至于市場的預測主要以PC為主，其中98%~99%的個人計算機皆有USB接口，其主要外圍應用產品以鼠標和鍵盤為主。表1為In-Stat對2001～2004年USB的市場預測。

　　USB規(guī)格的廠商共同設立了一個『USB應用者論壇(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非營利組織。而USB-IF 是一個以技術支持為首要的組織，目的在于接受各界對USB技術研發(fā)與應用建議的論壇。并且為促進高品質并具有兼容性USB設備研發(fā)、規(guī)格 測試等做產品的推廣。同樣地USB也和其它業(yè)界規(guī)格(如IEEE1394、DVD、DTS等)一樣，USB1.0及USB2.0皆具正式卷標，而產品貼上USB2.0規(guī)格的卷標，便代表它與其它同樣具有USB2.0規(guī)格卷標的外圍正常使用，并且已經過完整測試及具有兼容性。其測試項目如下：

　?、?適配卡、主機板及系統(tǒng)

　　(1)電源提供測試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號品質(Downstream Signal Quality)

　　(3)通用性(Interoperability)

　　Ⅱ.全速與低速集線器(不含高速支援)

　　(1)電源提供測試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號品質(Downstream Signal Quality)

　　(3)回傳訊號品質(Upstream Signal Quality)

　　(4)設備架構測試(Device Framework Testing)

　　(5)互通性(Interoperability)

　　(6)平均電流消耗(Average Current Consumption)

　?、?全速與低速外圍

　　(1)回傳訊號品質(Upstream Signal Quality)

　　(2)設備架構測試(Device Framework Testing)

　　(3)互通性(Interoperability)

　　(4)平均電流消耗(Average Current Consumption)

　　其中『互通性(Interoperability)』為衡量軟件質量的一個重要指標。它指一個軟件系統(tǒng)接收與處理另一個軟件系統(tǒng)所發(fā)送的信息能力，反映該軟件系統(tǒng)是否易于與另一個軟件系統(tǒng)快速連接的接口。一般可用下列三點來評價：

　　Ⅰ.模塊化：該軟件所具有的模塊結構能力。

　?、?通信通用化：該軟件使用標準通信協(xié)議和接口例行程序的能力。

　?、?數(shù)據(jù)通用化：該軟件使用標準數(shù)據(jù)表示的能力。

　　另外在設計USB 2.0設備時，還要注意到防治電磁干擾(EMI Remediation)、機身接地(Chassis Grounding)、布線設計(Trace Layout)、設備封裝(Device Packaging)、電路板設計(Board Layout)及數(shù)據(jù)訊號衰減噪聲(Data Signal Attenuation/Jitter)等問題。

　　另外值得一提的是USB 2.0傳輸規(guī)格全新加強版─USB On-the-Go (USB OTG)，即USB 2.0的追加規(guī)格(Supplement to USB 2.0 Specification)，亦稱OTG規(guī)范，是USB-IF針對USB 2.0既有標準追加上去的補充條款。它允許讓各個裝置都能夠扮演主控者的角色，目前市場上極被看好且具明星相貌的裝置─PDA、影像行動電話、數(shù)字相機、可攜式硬盤及NB等裝置。舉例來說：當PDA變成主控裝置時，可以與其它品牌的PDA做數(shù)據(jù)傳輸或檔案交換等功能;當與行動電話接上時，可經由它上網，上傳或下載訊息;當與打印機接上時，即可打印圖片或檔案;當與數(shù)字相機接上時，便可以儲存或交換影像圖片檔案;連接上硬盤時，亦可備份或儲存數(shù)據(jù)。同理，其它裝置變?yōu)橹骺匮b置時，亦可與被控裝置做多元化變換的功能，是謂廣泛又富高度的彈性。

　　以下就USB市場所衍生的相關產業(yè)做詳細的分析：

　　閃存市場

　　手持或攜帶式電子產品等，強調電源節(jié)約度的產品已廣泛成為下一世代的主要需求，而非揮發(fā)性內存在近年來的應用日漸重要。在此范疇中的產品包含F(xiàn)lash Memory、Mask ROM及EEPROM(反之則為DRAM及SRAM)。其中又以Flash Memory可重復讀寫并且存取速度快而最受矚目。

　　Flash Memory之所以能夠在未施予外界電源的情況下，而仍能保存數(shù)據(jù)的主要原因，在于內存組件本身具有與外界隔離的懸浮閘(Floating Gate)，經由良好的設計與制造程序，此一稱為懸浮閘的區(qū)域可長時間儲存電荷而不致流失，故數(shù)據(jù)可被妥善保存。當欲抹除所儲存的數(shù)據(jù)時，則僅需藉由操作電壓的改變，即可將保留于懸浮閘中的電荷移去。另外Flash Memory的優(yōu)點尚包含：在惡劣的環(huán)境下(震動、搖晃、強烈的溫差)依然有相當高的可靠度、嵌入式系統(tǒng)中依舊有相當便利的覆寫數(shù)據(jù)能力及非揮發(fā)性(數(shù)據(jù)不需依靠持續(xù)充電維持)等。表2為Flash與DRAM產業(yè)特性的差異分析表。

　　根據(jù)IC Insight的統(tǒng)計，F(xiàn)lash Memory主要的應用是在于通訊、消費性及計算機相關的3C產品上，如圖1所示。三者合計約占整體市場的84%。倘若進一步將Flash Memory依結構與工作原理區(qū)分，根據(jù)Dataquest預估的數(shù)據(jù)顯示，去年適用于儲存程序代碼的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦稱為Code Flash)之產值約占Flash總產值的80%左右，其余則為適用于一般數(shù)據(jù)儲存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦稱為Data Flash)。圖1為Flash應用領域之產值比重分析圖。

　　一般而言，F(xiàn)lash可分為兩大類，NAND Type及NOR Type。NAND Type Flash因存儲元件尺寸較小，主要用于儲存數(shù)據(jù)，容量較大，目前主流為64MB、128MB，今年底前1GB產品應可問世，其產品多搭配MP3隨身聽、數(shù)字相機、PDA、行動電話、掌上型計算機及數(shù)字攝影機等做為儲存影像、音樂及一般數(shù)據(jù)之用。由于在使用上，受上述可攜式產品體積限制的影響，而無法內建龐大容量的內存;因此NAND Type Flash有超過八成以上的比例是封裝成小型記憶卡以供消費者做為外加之用。依小型記憶卡的市場現(xiàn)況推論，筆者認為NAND Type Flash現(xiàn)階段主流容量約為64Mb與128Mb。不過隨著廠商致力于制程微縮，每位NAND Flash的制造成本正快遽下滑，因而可以預期不論是消費者購買外加記憶卡的數(shù)量或硬件產品中內建NAND Flash之容量將明顯增加。圖2為Dataquest對全球NAND Type Flash的市場預測圖.

　　NOR型的主要的應用為程序代碼的儲存，容量相對較小，但具有存取快速的優(yōu)點，行動電話的需求量為其最大的用途，目前市場行動電話主流規(guī)格容量為16MB，幾乎為2001年的倍增，占NOR Flash整體需求的47.3%，其次為Set-Top Box、計算機主機板、局域網絡路由器及光驅。為配合行動電話產品之發(fā)展，現(xiàn)階段NOR Flash的容量是以8Mb、16Mb及32Mb為需求的大宗。由于包含行動電話在內的各種產品功能將日趨復雜，每一產品對NOR Flash的單位用量可望隨之提升。因而Dataquest預估，NOR Flash用量前五大的產品至2004年為止，復合成長率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode營運模式的需求下，對容量的要求更高，高達32MB，未來在2.5G、3G出線后，容量勢必將再向上倍增。圖3為Dataquest對全球NOR Type Flash的市場預測圖及表3為Flash之特性與應用表。

　　美國PDA Buzz網站最近刊登了一篇消費者最常使用的PDA周邊附屬產品調查，時間為2002年4月，有效樣本為1535份，由表4得知，最常使用的仍是記憶卡，占34.4%，目前PDA的擴充槽接口，多半是以內建CompactFlash Type II和Secure Digital(SD) Card為主，且以目前和未來PDA的發(fā)展趨向而言，似乎新推出產品都趨向以SD Card為主流。再者其次是鍵盤，占21.8%，一般而言，在操作計算機時，皆以鍵盤輸入為主，而操作PDA時，尤其是輸入文字較多時，以鍵盤輸入較為方便。第三則是數(shù)字相機，占12.1%，PDA加上數(shù)字相機所占的比例近五成，由于兩者可產生多元化的變換應用，對于一些需要實時影音的擷取、傳遞影像的特定行業(yè)應用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，則因整個通訊傳輸環(huán)境尚未建置完善，再加上傳輸速度尚受限，因此消費者對于此類的外圍附屬裝置需求會較少。

　　對Flash而言，將Flash整合進其它芯片的Embedded Flash就成為一種趨勢。一旦整合芯片，有成本上的考量時，廠商就有可能采取Embedded Flash的方式來減少空間。并隨著次微米的制程技術及先進的封裝技術(傳統(tǒng)采用TSOP封裝方式，現(xiàn)在則流行使用CSP封裝方式)來縮小芯片的面積，在低耗電、高密度及小體積等要求下，Multi Level Cell 與Multi Chip Package的Flash Memory產品將是未來發(fā)展的重要趨勢。