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USB之無(wú)線(xiàn)化、對(duì)接化、內(nèi)連化發(fā)展

發(fā)布時(shí)間:2010-02-18 來(lái)源:52rd

中心議題:
  • USB技術(shù)演進(jìn)
  • Wireless USB
  • USB On-The-Go
  • Inter-Chip USB

USB技術(shù)演進(jìn)

USB自1996年發(fā)表以來(lái)至今,其技術(shù)發(fā)展可分成三個(gè)時(shí)期:1996年~2000年的成熟期、普及推廣期,2000年~2004年的向IEEE 1394看齊、追趕期,而2005年后至今則是超越IEEE 1394,或與IEEE 1394各行其路的時(shí)期。

第一個(gè)時(shí)期簡(jiǎn)言之即是USB 1.x(包含USB 1.0、1.1)的階段,這個(gè)階段USB快速低價(jià)化、普遍化,但是在速率與體質(zhì)上仍無(wú)法與IEEE 1394媲美,所以才有2000年之后的各項(xiàng)新提升計(jì)畫(huà),包括將傳輸率提高40倍的USB 2.0,以及讓USB裝置直接相互連接的USB OTG,因?yàn)閁SB 1.x的傳輸率僅12Mbps,無(wú)法與IEEE 1394a的400Mbps相比,而USB 2.0讓USB傳輸達(dá)480Mbps,以此來(lái)超越IEEE 1394a,且USB 2.0也被稱(chēng)為HI-SPEED USB。

由于傳統(tǒng)USB僅允許各USB周邊裝置與PC連接,不允許各USB周邊裝置跳略過(guò)PC而自行互接,然IEEE 1394卻可以,為了彌補(bǔ)此一「體質(zhì)」的不足,因而增訂了USB OTG。當(dāng)然,USB OTG也是為了因應(yīng)日漸增多的手持式裝置,為了讓各手持行動(dòng)裝置能在戶(hù)外、無(wú)攜帶PC/Laptop時(shí)仍能夠相互傳遞資料,對(duì)此也需要訂立USB OTG。此外,USB OTG也與USB 2.0相互唿應(yīng),以USB 1.x的速率進(jìn)行互接的USB OTG即稱(chēng)「USB On-The-Go」,而以USB 2.0速率進(jìn)行互接的則稱(chēng)為「HI-SPEED USB On-The-Go」。

到了2004年,由于全球的USB用量已到達(dá)相當(dāng)可觀(guān)的地步,光是USB裝置用的接線(xiàn)、纜線(xiàn)就已經(jīng)突破20億條,長(zhǎng)久下去將會(huì)使接線(xiàn)到達(dá)空前紊亂,因此USB去線(xiàn)化、無(wú)線(xiàn)化的聲音開(kāi)始出現(xiàn),自此提議出Wireless USB(WUSB)。另外,為了讓針對(duì)USB硬件所開(kāi)發(fā)的韌體、軟件等投資達(dá)到更大化的發(fā)揮效益,USB-IF也增訂了內(nèi)接用的USB,讓USB從過(guò)去的外接銅纜線(xiàn),轉(zhuǎn)變成機(jī)內(nèi)印刷電路板(PCB)上的銅箔線(xiàn),使USB從機(jī)外裝置間的互連,跨足延伸到機(jī)內(nèi)晶片間的互連,此稱(chēng)為Inter-Chip USB(簡(jiǎn)稱(chēng):IC_USB)。

當(dāng)USB進(jìn)入WUSB、IC_USB階段后,可說(shuō)是開(kāi)始超越IEEE 1394,或與IEEE 1394分路而行,在無(wú)線(xiàn)化的進(jìn)程上,WUSB比Wireless 1394(簡(jiǎn)稱(chēng):W1394)更快速,目前W1394幾乎沒(méi)有動(dòng)靜。至于內(nèi)連化的IC_USB,IEEE 1394并無(wú)相同的作法,相對(duì)的IEEE 1394朝車(chē)用的IDB-1394,以及不同傳輸實(shí)體介質(zhì)的路線(xiàn)發(fā)展,例如用光纖(Optical Fiber)、塑膠光纖(Plastic Optical Fiber;POF)、Ethernet等線(xiàn)路來(lái)傳輸。(附註:IEEE 1394a為400Mbps,但之后訂立的IEEE 1394b則可達(dá)800Mbps,仍領(lǐng)先今日USB 2.0的480Mbps,此外光纖化、塑膠光纖等新介質(zhì)作法則在IEEE 1394c中擬定。)

隨著USB 1.x/USB 2.0的成熟,USB技術(shù)的發(fā)展與推行重心,已經(jīng)開(kāi)始專(zhuān)往手持式運(yùn)用的USB OTG/HI-SPEED USB OTG、Wireless USB、以及Inter-Chip USB。

Wireless USB

Wireless USB 1.0標(biāo)準(zhǔn)是在2005年5月12日正式發(fā)佈,它的實(shí)體層(PHY Layer)、媒控層(MAC Layer)是使用MBOA組織所訂立的超寬頻(UWB)技術(shù),在PHY層、MAC層之上再搭建一層WiMEDIA Alliance所訂立的聚合層(Convergence Layer,IEEE 802.15.3a),在聚合層之上再依據(jù)不同的無(wú)線(xiàn)傳輸應(yīng)用而訂立不同的協(xié)定因應(yīng)層(Protocol Adaptation Layer;PAL),最后才將WUSB的通信建立于最上端,如此使WUSB運(yùn)作。(附註:MBOA(Multi-Band OFDM Alliance)于2005年3月與WiMEDIA Alliance合併。)

一般而言,只要PHY層、MAC層等基礎(chǔ)確立后,即可實(shí)現(xiàn)WUSB無(wú)線(xiàn)應(yīng)用,而為了讓日后的各種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用(特別是WPAN)能夠直接共容互通,包括W1394、Bluetooth 3.0(使用UWB技術(shù)的Bluetooth)等,所以加插Convergence Layer與PAL,其他的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用只要一樣具備與Convergence Layer介接的PAL,即可與WUSB相通。

Wireless USB透過(guò)協(xié)定因應(yīng)層與聚合層的轉(zhuǎn)化,即能與其他的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用(如Wireless 1394、Bluetooth 3.0等)共容互通。
 USB|Wireless|SRP
與其他無(wú)線(xiàn)應(yīng)用互通只是其一,更受到重視的是WUSB的技術(shù)表現(xiàn)。目前,WUSB最遠(yuǎn)可達(dá)10m的傳輸距離,最快則可達(dá)到與USB 2.0相同的480Mbps速率。不過(guò),480Mbps速率僅限3m距離內(nèi),3m~10m距離中速率會(huì)降至110Mbps。

此外,WUSB與傳統(tǒng)USB相同,最多都可以連接127個(gè)裝置,然更好的是:WUSB已經(jīng)去線(xiàn)化,所以不需要使用集線(xiàn)器(USB Hub),所以連接拓樸也有所改變,過(guò)往USB是階層式的星狀連接(或可說(shuō)是樹(shù)狀連接),而WUSB則是直接從PC端與各WUSB裝置進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連通,屬星狀連接。

WUSB規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)雖然成形,且未來(lái)的PC將盡可能預(yù)裝配備WUSB的主控器,以利WUSB的推廣普及,不過(guò)業(yè)界也很重視如何讓現(xiàn)有PC也支援WUSB,因此提出了HWA(Host Wire Adaptor)與DWA(Device Wire Adaptor)等配接器,只要將HWA連接在現(xiàn)有PC的USB埠上,以及將現(xiàn)有實(shí)線(xiàn)式USB裝置的接線(xiàn)接上DWA,如此HWA、DWA間即可用WUSB來(lái)互連運(yùn)作,使現(xiàn)有實(shí)線(xiàn)USB透過(guò)轉(zhuǎn)接升級(jí)成無(wú)線(xiàn)運(yùn)作。這是為推行WUSB的一種過(guò)渡手法。

UWB的頻譜跨佔(zhàn)3.168GHz~10.296GHz,并將此區(qū)間劃分成5個(gè)波段群,除最后的第5個(gè)波段群只有2個(gè)波段外每個(gè)波段群內(nèi)都有3個(gè)波段,總共14個(gè)波段,每波段占用528MHz頻寬。一般而言,WUSB使用第1個(gè)波段群(3.168GHz~4.488GHz),第2~5個(gè)波段群為選用,如果有U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)則必須避用第2個(gè)波段群,甚至在不同國(guó)度與地區(qū)必須避開(kāi)更多波段群,在美國(guó)5個(gè)波段群都可使用,但在歐洲就必須避開(kāi)第2、5、及若干第4波段群的波段。此外,在日本、韓國(guó)也多半不允許使用第2及若干第3、5波段群的波段。

圖中可見(jiàn),美國(guó)、歐洲、日本、南韓等地對(duì)超寬頻的頻段開(kāi)放程度,美國(guó)因FCC的規(guī)令而全面開(kāi)放,
但美國(guó)之外的各國(guó)仍有若干程度的保留。

USB On-The-Go

USB OTG 1.0版是在2001年12月18日頒佈,之后在2003年6月24日推出修訂的USB OTG 1.0a,更之后在2006年2006年4月4日提出1.2版。USB OTG之所以能讓2個(gè)USB裝置直接互接對(duì)傳,其實(shí)是以權(quán)宜方式來(lái)實(shí)現(xiàn),將兩個(gè)裝置中的其一暫時(shí)喬裝、轉(zhuǎn)變成主控端(Host),讓另一個(gè)USB裝置誤以為自己是連到Host,以此來(lái)進(jìn)行傳輸。暫時(shí)喬裝成Host的USB裝置,之后仍可與PC連接,與PC連接時(shí)會(huì)恢復(fù)成原有的裝置型(Device)受控角色,這種既可為Host也可為Device的裝置被稱(chēng)為DRD(Dual-Role Device),反之無(wú)論在何種情況下都只是Device的則稱(chēng)為POD(Peripheral-Only Device)。

圖中的手機(jī)即是典型USB OTG中的DRD,手機(jī)與PC相連時(shí),手機(jī)為Device的從端角色,
PC為主端角色,而圖下手機(jī)與數(shù)字相機(jī)相連時(shí),手機(jī)為主端,數(shù)字相機(jī)為從端。

USB OTG如何確認(rèn)何者為對(duì)接時(shí)的Host?又何者為Device?答案是透過(guò)為USB OTG所新增的接腳,在USB原有4個(gè)接腳(Vbus、D+、D-、GND)外,再增加一個(gè)ID接腳,ID接腳的阻值為零(短路、接地)者為主端,反之阻值為無(wú)窮大(開(kāi)路,或稱(chēng):空接、浮接)者為從端,此在裝置相接之后透過(guò)阻值偵測(cè)即可確認(rèn)。更具體來(lái)說(shuō),阻值低于10歐姆者即是趨近零,屬于主端;而阻值大于100k歐姆者,被視為近乎無(wú)窮大的阻值,屬于從端。

當(dāng)某一裝置被視為主端后,也必須負(fù)責(zé)傳統(tǒng)USB主端的「對(duì)外供電」角色,在傳統(tǒng)USB規(guī)范中,USB埠必須對(duì)外供應(yīng)最少100mA,最高不超過(guò)500mA的5V電力,然由于USB OTG的裝置多為使用電池運(yùn)作的手持式裝置,自身電能有限,若再向外供電就更會(huì)快見(jiàn)拙,因此USB OTG標(biāo)準(zhǔn)將主端向外供電的要求加以放寬,最高仍不可超過(guò)500mA,但最低只要不低于8mA,依然是合乎規(guī)范。

雖然USB OTG可以讓兩裝置對(duì)接,但要注意的是:至目前為止USB OTG尚無(wú)法向傳統(tǒng)USB般使用上Hub。此外,UTB OTG一般而言是使用USB 1.x中的低速(Low-Speed)1.5Mbps或全速(Full-Speed)12Mbps,高速(Hi-Speed)的480Mbps屬于選用。

再者,USB OTG的接頭、接座也與傳統(tǒng)USB不同,傳統(tǒng)USB有A型(主-電腦)接頭接座與B型(從-裝置)接頭接座,而USB OTG為了因應(yīng)更小巧裝置的設(shè)計(jì)需要,使用增訂的迷你型設(shè)計(jì),即Mini-A接頭接座、Mini-B接頭接座。Mini-A、Mini-B與傳統(tǒng)A、B相同,都具有防呆(避免錯(cuò)接)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),但除此之外的還有一種Mini-AB的接座,此種接座(或稱(chēng):接孔)只有接座設(shè)計(jì)而無(wú)接頭設(shè)計(jì),此種設(shè)計(jì)是為了前述的DRD而設(shè),讓DRD可以用同一個(gè)接座來(lái)進(jìn)行USB OTG的對(duì)接(A主角色),或在另一時(shí)間與PC連接(B從角色)。


USB OTG規(guī)范中的3種接座(Mini-A、Mini-B、Mini-AB)、2種接頭(Mini-A、Mini-B),
其中Mini-AB接座可以連接Mini-A或Mini-B的接頭,主要是為USB OTG中的DRD而設(shè)計(jì)。 

此外,USB OTG為了對(duì)接也增訂兩種新協(xié)定:HNP(Host Negotiation Protocol)與SRP(Session Request Protocol),前者可以讓USB OTG對(duì)接時(shí),且主端電力不足時(shí),可與從端協(xié)調(diào),使主從角色互換,以利持續(xù)傳輸。至于SRP,是為了對(duì)接的電能精省而設(shè)立,USB OTG為了對(duì)傳時(shí)能夠節(jié)省電能,所以在未有傳輸時(shí)會(huì)進(jìn)入省電狀態(tài),使USB埠停止運(yùn)作,而SRP則是由從端向主端發(fā)出,要求主端重新甦醒,好為從端進(jìn)行傳輸服務(wù)。

另外,由于手持式裝置的軟硬件資源相當(dāng)有限,且實(shí)現(xiàn)的軟硬件方式也比PC多樣,所以無(wú)法像PC一樣支援各形各色的USB裝置,所以在驅(qū)動(dòng)程式的支援上較為拘限,關(guān)于此USB OTG主端裝置內(nèi)會(huì)建立一份TPL(Targeted Peripheral List),一旦接入U(xiǎn)SB OTG的從端裝置后,會(huì)查核該裝置屬于清單中的何種類(lèi)型,合乎類(lèi)型則加以服務(wù),未有合乎類(lèi)型則當(dāng)發(fā)出相關(guān)信息,告知使用者因裝置不合而無(wú)法進(jìn)行對(duì)傳。
USB|Wireless|SRP
Inter-Chip USB

Inter-Chip USB 1.0是在2006年3月13日頒佈,專(zhuān)用于電路板上的晶片間連接,也由于用在電路板上,因此許多連接規(guī)則都與傳統(tǒng)USB不同。首先,IC_USB與WUSB、USB OTG一樣,也不能使用Hub,所以IC_USB與WUSB一樣,采行星狀的連接拓樸,每個(gè)從端都用一組USB接線(xiàn)與主端相連。其次,IC_USB在線(xiàn)路長(zhǎng)度上也加以限縮,一般USB允許最長(zhǎng)5m的接線(xiàn),低成本(未具包覆屏蔽)的接線(xiàn)也可有1.8m,但I(xiàn)C_USB僅能有10cm的銅箔線(xiàn)路。再者,IC_USB由于只用于機(jī)內(nèi),一般而言機(jī)內(nèi)的裝置、晶片不會(huì)有進(jìn)行熱插拔、熱置換的需求,如此IC_USB也就不用支援傳統(tǒng)USB的隨插即用(PnP)機(jī)制。
 


Inter-Chip USB并不支援透過(guò)Hub的連接(紅線(xiàn)),只有傳統(tǒng)USB可透過(guò)Hub進(jìn)行連接(黑線(xiàn))。
 

也因?yàn)镮C_USB從銅纜線(xiàn)改成銅線(xiàn)箔以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步,使得IC_USB的供電線(xiàn)路的電壓也有所不同,傳統(tǒng)USB的供電線(xiàn)路為5V電壓,這是在1996年就定下的,而今半導(dǎo)體技術(shù)已又長(zhǎng)進(jìn)了十年,晶片需求的工作電壓已不斷降低,從5V降至3.3V、從3.3V降至2.5V,如今更有1.8V、1.3V,很明顯的,IC_USB若持續(xù)使用5V電壓,并不合乎實(shí)際之需。此外,由于IC_USB只在短距離內(nèi)傳輸,所以不一定要使用差動(dòng)(Differential)傳輸,也可使用較傳統(tǒng)的單端(Single End)傳輸,IC_USB提供兩種傳輸方式的選擇。

所以,IC_USB降低了電壓準(zhǔn)位,不再使用5V,而是另行提供5種電壓值:3V(或3.3V)、1.8V、1.5V、1.2V、1V等,這些電壓準(zhǔn)位值是取自JEDEC機(jī)構(gòu)所訂立的標(biāo)準(zhǔn),至于實(shí)際運(yùn)作時(shí)要使用哪個(gè)5種電壓值,則由相連的晶片間自行溝通、協(xié)調(diào)來(lái)決定。


Inter-Chip USB在電壓類(lèi)別(Voltage Class)上的協(xié)調(diào)順序圖。
 
IC_USB也將接腳名稱(chēng)進(jìn)行調(diào)整,過(guò)去稱(chēng)為Vbus、D+、D-、GND的接腳,被依序改名為IC_VDD、IC_DP(IC Data Plus)、IC_DM(IC Data Minus)、GND(未改)。許多人重視的傳輸速率方面,IC_USB目前以FS為主支援,LS則必須由Host與Device間相互協(xié)議才能支援,至于HS尚未支援,HS的支援目前仍在研擬嘗試中。

毫無(wú)疑問(wèn)的,USB依然是充滿(mǎn)演化活力的技術(shù)規(guī)格,依然有許多可能性發(fā)展,不過(guò)無(wú)論如何發(fā)展,都會(huì)盡可能保障過(guò)往的研發(fā)投資,特別是在韌體、軟件上的相容上,畢竟韌軟件占應(yīng)用設(shè)計(jì)中的成本、心力等比重正節(jié)節(jié)上升,因此USB的實(shí)體硬件可以變化,但這些必要的變化,卻能使韌、軟件的投資價(jià)值更為擴(kuò)展、延伸。
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