四條線路開創無限發展空間。USB仍是當今PC與PC週邊裝置普及率最高的連結標準。任何你想像的到電子產品，如：電話、印表機、麥克風、玩具以及喇叭等，都可以用USB連結。有趣的是，雖然大家都知道USB這個東西，並幾乎天天使用它，但卻很少人瞭解USB的技術原理及其應用的演變過程。

事實上，許多人將USB視為一個理所當然的產品。認為USB是既定的標準介面，提供給各種新型PDA、MP3隨身聽、印表機、外接硬碟機等裝置使用。的確在大多數的狀況下，這些新裝置確實採用USB來執行連結的動作。而對於那些使用專利型或非標準連結介面的裝置而言，其連結技術極可能還是USB；某些設計業者甚至將USB當成是專利型連接頭，就像Xbox一樣？！USB是如何整合至這些裝置的呢？哪些是USB的重要應用領域呢？而USB的發展前景又是如何？這項技術到底隱藏了什麼秘密？以下內文將會有詳細的說明。

《圖一　典型的USB主機端與周邊端之間的通訊模式》

USB的運作原理

在USB的世界中，使用者必須瞭解當兩個裝置互相連結時，必須有一個裝置扮演主機端（master或host）的角色，另一個裝置必須扮演週邊端（slave）或（peripheral）的角色，如(圖一)。這種主/從關係讓兩個裝置間能順利進行資料的傳輸而不會發生衝突的情況，例如：不管與任何一個裝置連結，PC皆會扮演主機端的角色，並負責控制匯流排上所有的通訊作業。任何一種外部或週邊裝置連結到PC時，只有主機端PC才能下達通訊指令。由主機處理器控制所有作業的模式在PC環境下運作得相當順利。

《圖二　高速（high-speed）USB的標誌》

當一個裝置第一次連結至USB主機端系統時，會開始進行裝置列舉（enumeration）的設定程序。在裝置列舉的過程中，主機端PC就會要求新連結的週邊裝置必須表明自己的身份。每個USB裝置必須擁有一組獨一無二的廠商識別碼（Vendor ID；VID）以及一個產品識別碼（Product ID；PID）。隨後主機端會為該週邊裝置尋找已安裝在PC裡的USB驅動程式。大部分常見的PC週邊裝置例如：滑鼠、鍵盤、外接式儲存設備、隨身碟以及相機等，都能運用內建於作業系統中的類別驅動程式（Class Drivers）進行連結；然而較新型以及較罕見的週邊裝置，則必須先安裝內附於產品光碟中的專屬驅動程式，才能順利進行連結的工作。這種專屬驅動程式協助新型週邊裝置與內建於主機端CPU中的應用軟體及其他驅動程式連結。當裝置妥善連結到主機端時，就可以開始進行資料傳輸以及裝置間的通訊工作。

有線USB具備三種資料傳輸速率，分別為：每秒1.5 Mbits的低速USB傳輸模式、每秒12 Mbits的全速USB傳輸模式，以及每秒480Mbit的高速USB傳輸模式。

特別要注意的是USB 2.0版本並不等於高速USB。雖然高速USB最早是以USB 2.0規格出現，但是這套規格中亦包括低速與全速的USB資料傳輸模式。某些不肖廠商聲稱 USB 2.0就是代表高速USB，但是事實上USB 2.0只有具備全速型的傳輸模式。因此在設計或選購USB時，請認明高速USB的認證標誌，如(圖二)，才能確保該產品能夠支援最快速的USB傳輸模式。(表一)列出一些基本的USB專業術語，能夠進一步瞭解其拓撲與通訊傳輸的架構：

所有USB資料皆透過不同的訊號進行通訊傳輸。因此，有一條線路負責傳送訊號，另一條線路則專責傳輸反向訊號，這樣的設計讓兩條線路電壓的總和可維持不變。在線路終端的接收裝置並非讀取一個訊號，而是讀取傳輸正反向訊號的兩條線路間的差值。這樣的設計創造出一種精簡與防止誤差的資料傳輸模式，不僅能抵抗其他線路的干擾，而且也能防止本身因USB連結所產生的干擾訊號。這點對於連結眾多線路的桌上型PC而言，USB的設計?PC使用者帶來相當大的便利。

USB纜線總共包含四條連接線。 其中兩條負責資料傳輸，一條負責電力傳輸，而一條則是接地線，如(圖三)所示 。相同的USB纜線能支援低速、全速與高速三種USB傳輸模式。

《圖三　USB A、B兩種連接頭》

＜註：USB A種連接頭（圖左）、B種連接頭（圖右）以及具備Vcc、Data以及Ground的截面圖。白色與綠色連接線專負責資料傳輸，灰色為接地線，紅色則是負責電力傳輸（VBUS）。＞

這四條連接線的組態設定十分重要，主要是由於以下四種因素：(1) 纜線的成本低，可和數千種低價週邊裝置一同販售。(2)連接頭的成本也不高，因此即使是非常低價的產品也能增加一個外部USB連接頭。(3)不同的訊號設計提供可靠的資料傳輸方式，讓通訊模式既快速又穩定。(4)搭載電源線與接地線的USB纜線，讓設計人員不僅能使用USB纜線來傳送資料，也能夠為週邊裝置提供所需的電源。

USB技術如何應用在現今的裝置中？

當我們走進像臺灣的豐澤電器或美國的Fry's等大型電子產品量販店時，可以發現USB幾乎無所不在。相信讀者也想問USB為何那麼受歡迎？為什麼有這麼多廠商願意在產品中將USB設計進去？

首先必須瞭解USB系統中內含的三個主要功能性區塊。有了這方面的知識之後，讀者將會更加瞭解PC週邊裝置設計業者是如何考量在其產品中設計USB介面：

由於USB能明確區分成以上三種主要功能，因此當設計人員在進行USB設計時，在USB整合上有許多選項或層級可供選擇。雖然上述三項功能都必須確實完成設計，但是針對哪一顆半導體晶片負責執行哪一部分的作業，系統中並沒有明確的標準規定。(圖四)顯示遞增的USB整合度。

由於每種設計模式都有其優點與缺點，設計人員必須針對本身的特殊設計需求選擇出最佳的設計模式。

許多人或許會認為隨著USB技術日趨成熟，未來所有新裝置都會將USB整合至主處理器，但事實並非如此。實際上，自從USB第一版規格公佈以來，大多數的應用皆依循相同的整合途徑。業者首先會開發像視訊處理等的核心功能，並運用外部USB元件；之後，ASIC元件的量產確保USB收發器元件可運用額外的晶片空間，因此，USB就被整合至ASIC元件中。一般而言，廠商在開始研發晶片之初，通常不願承擔USB設計所帶來的額外風險。但是當外部USB的研發經驗累積到一定的程度後，設計廠商開始有足夠的信心與專業能力從事內部功能整合的工作。因此，上述四種USB設計模式在現今的技術市場中皆有不少廠商採用。

《圖四　顯示週邊端系統中遞增的USB整合度》

USB的重要應用領域

毫無疑問地，PC滑鼠與鍵盤仍是USB主要鎖定的市場。在每年出貨量達數億顆的規模下，USB這種低成本解決方案是相當符合市場需求的技術 。然而，還有哪些應用也漸漸地在市場上佔有一席之地？而USB技術發展的新趨勢又有哪些呢？

由於USB具備了優異的連結功能，上述所有應用於今年開始將會持續發展，而市場也將會隨之成長。

手機+ MP3隨身聽──現今全球最受歡迎的潮流就是在手機中整合MP3隨身聽的功能。隨著USB應用領域的擴大，這類MP3隨身聽手機現在也含有USB連結介面，例如：剛在美國超級盃期間發表的三星A900手機。這款內建照相功能的手機可透過PictBridge技術，將影像直接輸出至印表機，進行列印工作，如(圖五)。手機與印表機以USB纜線連結後，就能開始列印。這種功能僅透過一條USB傳輸線即可在手機與PC之間進行資料傳輸工作。

《圖五　Sprint/三星的新款A900手機，可以USB連結至PC，並具備USB PictBridge技術》

支援各種可隨身攜帶的應用產品之USB行動主機端裝置──以三星A900手機為例，可看出點對點（peer to peer）對等式通訊應用的市場正持續擴大。先前曾提到，在電子應用產品的主/從關係中，PC往往扮演著主機端的角色。然而，在A900與印表機之間，卻藉由Pictbridge內建的主機端功能讓手機控制USB介面。另有一種能提供類似主/從功能的 USB OTG技術，亦可稱為On-The-Go技術，也可讓USB週邊裝置之間直接進行連結。

可攜式媒體裝置──根據市調機構Jupiter Research的調查，51％的消費者會在可攜式媒體播放器上觀看電影，而55％的消費者有興趣在這類裝置上觀看電視節目。由以上調查結果可以得知，在影片內容合法化的前提下，行動影片無疑地將具備龐大的發展潛力，成為研發業者們兵家必爭之地。微軟的Portable Media Center概念即試圖解決媒體的合法化問題，並運用USB作為影片內容的安全傳輸管道，如(圖六)。

《圖六　Creative Labs的Zen PMC以及三星的YH-999's口袋型PMC》

影音擷取──PC的使用已從工作場所延伸至住家與客廳，這股潮流將帶動市場對影音擷取更多的需求。因為USB裝置讓使用者能將影音擷取裝置連接至家用PC ，因此，USB裝置在這類市場上仍然佔有相當重要的地位。未來，雖然內建影音擷取裝置可能會轉移至PCI Express介面，但外接式連結裝置仍將繼續採用USB技術。

儲存裝置──大多數內建儲存裝置都採用PC主機板現有的內建介面，如：SATA （Serial ATA）或PATA（Parallel ATA）。而大多數外接式儲存裝置則必須採用常見的USB-ATA橋接晶片。儘管筆記型電腦的小型儲存裝置與現今桌上型電腦專用硬碟機的容量不斷擴增，但外接式硬碟機仍是家庭與小型辦公室經常會選擇的備份裝置。

與上述多種行動應用一樣，USB技術的另一項趨勢就是在不需電源插座的情況下即能進行USB介面傳輸。行動裝置不再需要使用外部電源，就可連結USB的技術直到最近才實現。

在USB環境中，裝置在進行組態設定之前，僅能從USB纜線取得100mA的電力。而在裝置列舉的過程中，裝置可要求最高達500mA的電力模式。然而，這必須依賴主機端是否能提供要求的電力，電力的供應與否進而影響裝置列舉（或連結）的程序是否能順利完成。因此，電力限制的因素將會影響設計業者決定開發採用匯流排供電（bus-powered）或自行供電（self-powered）的應用產品。

根據USB規格，USB裝置有兩種供電設計，一是可透過USB纜線使用匯流排供電；另一種則是使用電池或由牆壁上電源插座所提供的電力自行供電。此外，USB透過USB連結埠使用匯流排供電的裝置具備兩種電力規格，一為高功率連結埠（High Power Ports）。此種電力規格能為下游裝置提供500mA的電力。另一種為低功率連結埠（Low Power Ports）。此種電力規格僅能為下游裝置供應100mA的電力。為什麼有兩種不同的電力規格呢？低功率連結埠最初的目的是支援使用匯流排供電的集線器。這些裝置先從上游連結埠取得500mA的電力，內部自行使用100mA，並為每一個下游連結埠個別供應100mA的電力，如(圖七)所示。

《圖七　主機端PC與集線器的電源組態》

使用匯流排供電的USB裝置從USB問市之初就已經存在了。然而，在USB 2.0規格加入高速（480Mbps）資料傳輸模式後，就沒有USB矽元件廠商能夠開發出在100mA限制下進行裝置列舉作業的高速USB控制器晶片。也就是說，當內建新型高速USB元件的週邊裝置試圖要進行連結時，因電力超過100mA的限制，使得裝置無法妥善地設定組態。明智的設計業者必須瞭解元件的功率特性，才能避免連結失敗的問題。

USB何時會無線化？

預估在2006年就會有採用無線USB技術的新產品開始問市。無線 USB（Wireless USB；WUSB）是USB技術的延伸規格，讓週邊裝置與消費性電子產品更容易連結到主機端PC。隨著市面上出現許多新型消費性電子產品，市場對這種新型介面的需求將持續成長。無線USB是採用超寬頻（Ultrawideband；UWB）技術，能在兩公尺（約6.6英呎）的距離內支援480Mbps的資料傳輸速率。若傳輸速率降至110Mbps，UWB甚至能達到更長的傳輸距離（最高可達10公尺或約30英呎）。對於住家與辦公室環境而言，這項技術相當實用。然而，和有線USB一樣，有兩項因素會影響無線USB的成敗：價格與功耗。若研發業者無法降低價位讓產品普及化，或是無法減少功耗以致於電池電力快速耗盡，消費者就不會支持這類昂貴且使用不便的產品。

儘管仍有待克服的問題，但產業分析師對於無線USB在市場的發展前景均抱持樂觀的看法。市調機構InStat的報告指出，預期2006年將會有經過認證的無線USB（Certified Wireless USB）產品問世，並預期無線USB市場在2007與2008年會有顯著的成長。整體而言，預計無線 USB產品的出貨量在2006年至2009年期間會有193％的年成長率。

若上述預測成真，隨著消費者要求更高品質、更低成本，以及更快連結速度的USB（不論有線或無線）裝置，未來十年，業界將進入學習、整合以及開發各種嶄新且獨特應用產品的新紀元。

延 伸 閱 讀

USB提供可擴展的、可熱插拔的隨插即用的序列介面，提供標準且低成本的周邊裝置連線方式，如鍵盤、滑鼠、搖桿、印表機、掃描器、存放裝置、數據機、視訊會議錄影機。建議所有使用舊版連接埠（如PS/2、序列與平行埠）的周邊設備裝置改用USB。相關介紹請見「USB架構」一文。 在消費電子領域中，USB介面之滲透率以Digital Cameras、Digitial Music Players、PDA、Video Game Consoles、Digital Camcorders滲透率較高，約50％～90％不等，未來五年內亦將維持在60％以上之滲透率，至於Set-top Box與Mobile Phones目前滲透率極低，僅為1％左右，未來五年成長有限。「USB在消費電子市場之滲透狀況」一文中得到進一步的介紹。 USB是個人電腦歷史上最成功的週邊裝置界面，USB 2.0正逐漸取代第一代標準，適合支援大量儲存的個人電腦週邊裝置，包括可攜式數位音訊播放機、外接式硬碟、ZIP磁碟機、CD燒錄機、DVD燒錄機、高密度PCMCIA Type-II讀卡機、MO機和其它各種裝置。在「USB 2.0-ATA/ATAPI橋接元件支援纜線供電型儲存裝置」一文為你做了相關的評析。

市場動態

Alereon即將完成一款針對無線USB市場的整合超寬頻（UWB）晶片設計。該公司準備在2006年第一季推出該晶片的樣片，目前並正著手於多方面的努力，以便在主要的海外市場上獲得超寬頻執照。相關介紹請見「超寬頻IC瞄準無線USB應用」一文。 瑞薩科技（Renesas）推出R8A66597雙埠USB主控制器，此低功率裝置可嵌入DVD錄放影機或建有USB埠的音響設備中，可支援所有USB 2.0規格定義的資料傳輸速度，包括高速（480Mbps）、全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps），並備有雙埠組態和操作溫度範圍-40°C～85°C的耐溫版本，因此亦可應用於汽車電子的音響和導航系統。你可在「瑞薩推出耐溫-40°C～85°C的嵌入式雙埠USB 2.0主控制器」一文中得到進一步的介紹。 Cypress的超小型USB 2.0可編程微控制器EZ-USB FX2LP採用56接腳VFBGA封裝，面積僅5x5mm，球型接腳間距也只有0.5mm，適合在手機、可攜式媒體播放器、PDA以及網路攝影機等各種小型規格或使用電池供電等應用中建置高速USB介面。在「Cypress新款USB2.0 MCU降低50%耗電量」一文為你做了相關的評析。