USB界面技術(shù)之應(yīng)用

USB發(fā)展簡(jiǎn)史

　　自從IBM計(jì)算機(jī)于1981年提出開放架構(gòu)的PC規(guī)格以來，計(jì)算機(jī)的操作運(yùn)算速度及使用者接口朝向更快速、精簡(jiǎn)的路邁進(jìn)，然而延伸PC架構(gòu)接口的發(fā)展趨勢(shì)，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(fèi)授權(quán)的USB 2.0版架構(gòu)，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(shí)可支持127個(gè)外圍設(shè)備(如USB Hub/集線器這類的輔助裝置來把這些設(shè)備接上)等特點(diǎn)，雖然USB 2.0與IEEE 1394兩者接口在市場(chǎng)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(shì)，更使得兩大門派增添不少想象空間，不過就目前的PC相關(guān)外圍市場(chǎng)而言，以Intel捍衛(wèi)PC市場(chǎng)的決心來看，似乎讓USB 2.0接口除了可鞏固現(xiàn)有市場(chǎng)(USB 1.1)外，尚可更快加速擴(kuò)大現(xiàn)有的市場(chǎng)，而IEEE 1394若想要在這個(gè)領(lǐng)域超越的話，似乎還得再加把勁。

　　當(dāng)初制定USB的目的有三個(gè)：Ⅰ.使個(gè)人計(jì)算機(jī)具備通訊的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具備強(qiáng)大的擴(kuò)充性。由這三點(diǎn)可以清楚的知道USB接口能夠輕易地連接PC外圍產(chǎn)品，使用者不需因不同的外圍裝置而需找其對(duì)應(yīng)的埠(Port)連接。至于市場(chǎng)的預(yù)測(cè)主要以PC為主，其中98%~99%的個(gè)人計(jì)算機(jī)皆有USB接口，其主要外圍應(yīng)用產(chǎn)品以鼠標(biāo)和鍵盤為主。表1為In-Stat對(duì)2001～2004年USB的市場(chǎng)預(yù)測(cè)。

　　USB規(guī)格的廠商共同設(shè)立了一個(gè)『USB應(yīng)用者論壇(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非營利組織。而USB-IF 是一個(gè)以技術(shù)支持為首要的組織，目的在于接受各界對(duì)USB技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用建議的論壇。并且為促進(jìn)高品質(zhì)并具有兼容性USB設(shè)備研發(fā)、規(guī)格 測(cè)試等做產(chǎn)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(biāo)，而產(chǎn)品貼上USB2.0規(guī)格的卷標(biāo)，便代表它與其它同樣具有USB2.0規(guī)格卷標(biāo)的外圍正常使用，并且已經(jīng)過完整測(cè)試及具有兼容性。其測(cè)試項(xiàng)目如下：

　?、?適配卡、主機(jī)板及系統(tǒng)

　　(1)電源提供測(cè)試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號(hào)品質(zhì)(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(cè)試(Power Provider testing)

　　(2)傳出訊號(hào)品質(zhì)(Downstream Signal Quality)

　　(3)回傳訊號(hào)品質(zhì)(Upstream Signal Quality)

　　(4)設(shè)備架構(gòu)測(cè)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(hào)品質(zhì)(Upstream Signal Quality)

　　(2)設(shè)備架構(gòu)測(cè)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(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。它指一個(gè)軟件系統(tǒng)接收與處理另一個(gè)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(gè)軟件系統(tǒng)快速連接的接口。一般可用下列三點(diǎn)來評(píng)價(jià)：

　　Ⅰ.模塊化：該軟件所具有的模塊結(jié)構(gòu)能力。

　?、?通信通用化：該軟件使用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表示的能力。

　　另外在設(shè)計(jì)USB 2.0設(shè)備時(shí)，還要注意到防治電磁干擾(EMI Remediation)、機(jī)身接地(Chassis Grounding)、布線設(shè)計(jì)(Trace Layout)、設(shè)備封裝(Device Packaging)、電路板設(shè)計(jì)(Board Layout)及數(shù)據(jù)訊號(hào)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(qiáng)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(duì)USB 2.0既有標(biāo)準(zhǔn)追加上去的補(bǔ)充條款。它允許讓各個(gè)裝置都能夠扮演主控者的角色，目前市場(chǎng)上極被看好且具明星相貌的裝置─PDA、影像行動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)、可攜式硬盤及NB等裝置。舉例來說：當(dāng)PDA變成主控裝置時(shí)，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(dāng)與行動(dòng)電話接上時(shí)，可經(jīng)由它上網(wǎng)，上傳或下載訊息;當(dāng)與打印機(jī)接上時(shí)，即可打印圖片或檔案;當(dāng)與數(shù)字相機(jī)接上時(shí)，便可以儲(chǔ)存或交換影像圖片檔案;連接上硬盤時(shí)，亦可備份或儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。同理，其它裝置變?yōu)橹骺匮b置時(shí)，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(chǎng)所衍生的相關(guān)產(chǎn)業(yè)做詳細(xì)的分析：

　　閃存市場(chǎng)

　　手持或攜帶式電子產(chǎn)品等，強(qiáng)調(diào)電源節(jié)約度的產(chǎn)品已廣泛成為下一世代的主要需求，而非揮發(fā)性內(nèi)存在近年來的應(yīng)用日漸重要。在此范疇中的產(chǎn)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(fù)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(nèi)存組件本身具有與外界隔離的懸浮閘(Floating Gate)，經(jīng)由良好的設(shè)計(jì)與制造程序，此一稱為懸浮閘的區(qū)域可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存電荷而不致流失，故數(shù)據(jù)可被妥善保存。當(dāng)欲抹除所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)時(shí)，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(diǎn)尚包含：在惡劣的環(huán)境下(震動(dòng)、搖晃、強(qiáng)烈的溫差)依然有相當(dāng)高的可靠度、嵌入式系統(tǒng)中依舊有相當(dāng)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(chǎn)業(yè)特性的差異分析表。

　　根據(jù)IC Insight的統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)lash Memory主要的應(yīng)用是在于通訊、消費(fèi)性及計(jì)算機(jī)相關(guān)的3C產(chǎn)品上，如圖1所示。三者合計(jì)約占整體市場(chǎng)的84%。倘若進(jìn)一步將Flash Memory依結(jié)構(gòu)與工作原理區(qū)分，根據(jù)Dataquest預(yù)估的數(shù)據(jù)顯示，去年適用于儲(chǔ)存程序代碼的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦稱為Code Flash)之產(chǎn)值約占Flash總產(chǎn)值的80%左右，其余則為適用于一般數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦稱為Data Flash)。圖1為Flash應(yīng)用領(lǐng)域之產(chǎn)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(chǔ)元件尺寸較小，主要用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，容量較大，目前主流為64MB、128MB，今年底前1GB產(chǎn)品應(yīng)可問世，其產(chǎn)品多搭配MP3隨身聽、數(shù)字相機(jī)、PDA、行動(dòng)電話、掌上型計(jì)算機(jī)及數(shù)字?jǐn)z影機(jī)等做為儲(chǔ)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(chǎn)品體積限制的影響，而無法內(nèi)建龐大容量的內(nèi)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(fèi)者做為外加之用。依小型記憶卡的市場(chǎng)現(xiàn)況推論，筆者認(rèn)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(yù)期不論是消費(fèi)者購買外加記憶卡的數(shù)量或硬件產(chǎn)品中內(nèi)建NAND Flash之容量將明顯增加。圖2為Dataquest對(duì)全球NAND Type Flash的市場(chǎng)預(yù)測(cè)圖.

　　NOR型的主要的應(yīng)用為程序代碼的儲(chǔ)存，容量相對(duì)較小，但具有存取快速的優(yōu)點(diǎn)，行動(dòng)電話的需求量為其最大的用途，目前市場(chǎng)行動(dòng)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(jì)算機(jī)主機(jī)板、局域網(wǎng)絡(luò)路由器及光驅(qū)。為配合行動(dòng)電話產(chǎn)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(dòng)電話在內(nèi)的各種產(chǎn)品功能將日趨復(fù)雜，每一產(chǎn)品對(duì)NOR Flash的單位用量可望隨之提升。因而Dataquest預(yù)估，NOR Flash用量前五大的產(chǎn)品至2004年為止，復(fù)合成長(zhǎng)率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode營運(yùn)模式的需求下，對(duì)容量的要求更高，高達(dá)32MB，未來在2.5G、3G出線后，容量勢(shì)必將再向上倍增。圖3為Dataquest對(duì)全球NOR Type Flash的市場(chǎng)預(yù)測(cè)圖及表3為Flash之特性與應(yīng)用表。

　　美國PDA Buzz網(wǎng)站最近刊登了一篇消費(fèi)者最常使用的PDA周邊附屬產(chǎn)品調(diào)查，時(shí)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(kuò)充槽接口，多半是以內(nèi)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(chǎn)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(jì)算機(jī)時(shí)，皆以鍵盤輸入為主，而操作PDA時(shí)，尤其是輸入文字較多時(shí)，以鍵盤輸入較為方便。第三則是數(shù)字相機(jī)，占12.1%，PDA加上數(shù)字相機(jī)所占的比例近五成，由于兩者可產(chǎn)生多元化的變換應(yīng)用，對(duì)于一些需要實(shí)時(shí)影音的擷取、傳遞影像的特定行業(yè)應(yīng)用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，則因整個(gè)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(fèi)者對(duì)于此類的外圍附屬裝置需求會(huì)較少。

　　對(duì)Flash而言，將Flash整合進(jìn)其它芯片的Embedded Flash就成為一種趨勢(shì)。一旦整合芯片，有成本上的考量時(shí)，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(shù)及先進(jìn)的封裝技術(shù)(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(chǎn)品將是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。