USB標準適用于哪些應用

通用串行總線 (USB) 外設接口已廣泛應用于所有個人計算平臺及眾多工業和基礎設施平臺。不過，與此同時，人們對適用于給定應用的 USB 版本，如 USB 1.0，USB 1.1，USB 2.0，On-the-Go (OTG) 或 WirelessUSB (WUSB) 等，還不太清楚。隨著 USB 1.1 規范的發布，以及 Microsoft 操作系統為這一標準提供原生支持，這使得 USB 主機接口在 PC 中快速普及，同時也使眾多外設由傳統接口，如串行 (RS-232)、PS-2（鼠標和鍵盤）和并行端口（打印機使用的 Centronix 和 IEEE-1284）等，向這種新型通用接口標準過渡。

隨著 USB 2.0 規范的發布，使高速連接成為可能，USB 外設的數量出現激增，從而大幅改善了最終用戶的使用體驗。本文上半部分討論了 USB 標準的發展，下半部分將討論常見的應用，并介紹給定應用采用哪種 USB 標準最好。

選用 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 還是 WUSB？

我們不妨先來簡單看看不同 USB 版本之間的差別，以此作為本文的基礎。目前常用的標準為 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 和 WUSB。在許多情況下，這些不同標準會使工程師和最終用戶產生混淆。USB 2.0 是 USB 1.1 的官方正式升級版，提供了如下三種數據傳輸速率：

• 1.5 Mbps 的低速 (LS)
• 12 Mbps 的全速 (FS)
• 480 Mbps 的高速 (HS)

前兩種速率的定義與 USB 1.1 完全相同。USB OTG 是USB 2.0 規范的補充，定義了新的設備類型。此外，還擴展了外設產品的功能，增加了有限的主機功能。OTG 設備能支持 USB 2.0 支持的所有速率。Certified WUSB 是最新的標準擴展版，定義了無線接口，將有線 USB 技術的高速和安全性與無線技術的易用性相結合。Certified WUSB 通過 WiMedia Alliance 開發的常見的 WiMedia MB-OFDM 超寬帶 (UWB) 無線電平臺來支持穩健的高速無線連接，連接距離為 3 米時最高數據傳輸速率可達 480 Mbps；連接距離為 10 米時最高速率可達 110 Mbps。每種版本都有其優缺點。通過全面了解每種技術的成本、功耗及吞吐能力，有助于我們確定哪種標準最適合給定的應用需求。

低速與高速 USB

低速 USB 的最大優點就是低成本、低功耗。當數據傳輸速率為 1.5 Mbps 時，盡管收發器的速率很有限，但成本和功耗也很低。其明顯的缺點就是數據吞吐能力不高。如果數據傳輸速率為 1.5 Mbps 的話，那么實際數據吞吐能力還不到 1 Mbps，因為 USB 規范本身還會有一些開銷。與之相對的高速 USB 數據規范，其數據吞吐能力很高，但同時也會導致成本增加，功耗大幅提升。實際 USB 控制器的成本高于全速或低速 USB。電路板實施的成本還會更高，因為相比于 12 Mbps 乃至更低的速率，當速率高達 480 Mbps 時，確保傳輸質量就是一個很大的技術問題了。

全速 USB 填補了低速和高速之間的空白，其數值處于三種矢量之間。

由于 USB OTG 可采用這三種速率中的任何一種，因此在比較 USB OTG 的不同速率版本時，上面討論的問題同樣適用。我們不妨將 OTG 與標準有線 USB 進行比較。USB 規范最初的目的之一就是通過主機而不是外設完成大部分處理工作，從而實現低成本的外設連接方式。這就決定了 USB 以主機為中心的本質，從而有助于大幅降低外設連接實施方案的成本。處理功能的成本主要由 PC 承擔，而不是由外接到總線的不同外設承擔。OTG 改變了這一機制，在標準的 USB 外設上集成了有限的主機功能，不管這種外加的功能多么有限，都會提高外設的成本。成本的提高不僅涉及到支持主機功能的 USB 控制器硅技術，還涉及到整個產品，其中包括與主機功能相配套的更高的存儲器與處理功能要求等。USB OTG 的一大優勢在于，它能在沒有電腦的情況下實現 USB 設備的數據共享。我們在稍后討論有關應用時將給出具體實例和案例研究。

Certified WUSB 相對于有線 USB 的最大優勢在于易用性，無需線纜即可在電腦與外設間進行數據傳輸。此外，在不用 USB 線纜的情況下，您還能直接為許多外設供電，所需設備可通過標準的 AC 適配器或電池自供電。

人機接口（或輸入）設備

人機接口（或輸入）設備 (HID) 應用的實例包括鼠標、跟蹤球、鍵盤、游戲桿和游戲控制器等。通常，這些設備都采用中斷數據傳輸方式，并通過主機定期輪詢來確定其是否要向活動應用提供數據。鼠標數據輪詢的時間間隔通常為 8ms，可傳輸 32 位數據；鍵盤的輪詢間隔與鼠標相同，可傳輸數據為 64 位。更高級一些的游戲桿和游戲控制器（帶多個按鍵，支持力反饋技術）輪詢間隔也是 8ms，每次請求發送 6 字節數據，這樣最大數據吞吐能力約為 8 Kbps (0.008 Mbps)，比低速傳輸速率 1.5 Mbps 的標準要低很多。不管人們打字或按鍵的速度有多快，都不會超過低速 USB 標準的支持范圍。因此，HID 設備的帶寬消耗很低，近期還不會超出幾個 kbps 的范圍。這種應用低速標準的設備有助于降低成本。

這種設備一般也不會支持主機功能，這是因為添加主機，同時相應要提高處理功能，從而會增加成本，因此這種設備也不會成為全速 OTG 設備。這種設備非常適合作為支持 OTG 設備的外設，比方說便攜式鍵盤，在沒有電腦的情況下，通過該鍵盤可向個人數字助理 (PDA) 或移動手持終端中鍵入內容。不過在這種情況下，我們要考慮當前 USB OTG 規范規定的 8 mA 電流能否滿足有關應用的要求，是否需要采用電池。

無線鼠標和鍵盤已問世多年。事實上，我正用這種設備來輸入本文。每種設備都采用制造商專有的無線解決方案，都需要無線收發器插入標準 USB 端口，以實現到 PC 的連接。在眾多情況下，除非為新設備購買或添加新的收發器，否則我們不能簡單更新鼠標或鍵盤，也不能在系統中添加更多無線 HID 設備。通過采用 Certified WUSB 支持的標準化實施方案，我們能解決上述問題。任何新的 Certified WUSB 鍵盤、鼠標或游戲桿都能像標準的有線 USB 外設一樣直接連接到系統。就近期而言，我們還需要外置 Certified WUSB 收發器來支持連接功能，不過在今后幾年，這種 Certified WUSB 收發器將會集成到電腦中，這樣就不再需要外置收發器，從而進一步降低了實施外設連接的成本。HID 設備采用無線解決方案的一大劣勢在于，設備需要電池。有線解決方案則能從 USB 線纜獲得所需的所有電力。

海量存儲設備

海量存儲類 (MSC) 設備包括外置硬盤驅動器 (HDD)、DVD-RW、CD-RW、閃存卡讀卡器、ZIP 驅動器、磁光盤 (MO) 驅動器及 USB 閃存驅動器等。在選擇 USB 速率時，要確保 USB 連接不會成為數據傳輸的瓶頸。舉例來說，圖 1 顯示的是假定沒有瓶頸時數據傳輸所需的理想速率，我們由此可以看到不同目標應用需要哪種 USB 速率。如果我們假定帶寬使用為理想狀態（無開銷），我們就可以分析出在驅動器和 PC 之間傳輸 1 GB 數據所需的時間。

圖 1. 理想狀態下傳輸 1GB 數據所需的時間

顯然，理想帶寬是不現實的。因此，圖 1 中所列的時間要快于在實際應用中的情況。在本例中，只有高速 USB 標準才適合要求。那么接下來的問題是：Certified WUSB 或 OTG 等非標準 USB 實施方案適用于這種應用嗎？

USB 閃存驅動器本身體積很小，可以方便地從有線 USB 連接獲得電力。因此，這種應用不太適合無線應用。如果用電池電池供電，就會提高成本，同時也不會給最終用戶帶來什么額外的功能。如果閃存驅動器能支持 OTG 會話功能的話，似乎還有些用，不過也這會增加成本，相對于有限的功能增加來說，反而得不償失。

就那些始終要連接到電腦的“固定式”驅動器而言，有線 USB 的連接更適用。用戶很可能通過墻上電源連接供電，因為這樣最適合該類型驅動器的供電需求。如果設備是“移動”或便攜式的，那么 OTG 或 WUSB 可能更為適用。通常，移動設備都不是獨立的設備，而是具備某種消費娛樂功能的設備，例如 MP3 播放器、數碼相機 (DSC) 等，也可能是通過 HDD 擴展存儲容量的移動電話/PDA 等。無線連接非常適用于上述這些設備。最終用戶只需走到辦公桌前，將設備放在 PC 邊上，由于眾多設備都采用非標準的 USB 連接器，因此立即就能實現文件與 PC 的同步，不用再為找線纜連線而頭疼了。OTG 也是一種合適的選擇，特別適用于相機和打印機的互連，也能讓移動電話/PDA 彼此通信。

數碼相機

不管分辨率有多高（從 VGA 至 800 多萬像素），數碼相機 (DSC) 的特點都很相似。目前，所有相機都通過存儲卡來存儲數碼照片，包括 CF卡、SmartMedia 和 MediaStick 等，當然也有的通過嵌入式硬盤驅動器來存儲。所有 DSC 都采用電池供電，因此除了電池充電外，通常不需要通過 USB 連接獲得電力。此外，這些設備可脫離計算機工作，只有在進行最后數據圖形的編輯、打印、存儲或傳輸時才會連接到計算機。

相機的存儲介質類型并不重要，存儲量才是最重要的。如果相機存儲容量較小，那么數據很快就會占滿空間，從而需要經常傳輸。傳輸頻率高，就需要經常清空存儲空間，這樣用戶才能繼續使用相機。如果相機存儲容量較大，其使用模式就有些像此前說過的外置存儲設備，關鍵是要確保 USB 連接不會成為在相機和電腦間照片傳輸的瓶頸。與外置存儲設備一樣，數據管道越大，性能就越高。因此，高速 USB 顯然是最佳選擇。對更加關心成本的低端相機來說，要是存儲量不大，也可以采用全速標準來滿足其低成本要求。

DSC 這種終端設備非常適合采用 OTG 技術。如果能到店里找臺打印機，不用連接電腦就能直接把相機中的照片打出來，那確實是非常理想的應用方式。不過問題是，所選的相機和打印機是否在彼此的目標外設列表上。支持 OTG 功能的 DSC 會嘗試采用 USB 設備的“打印機”類驅動程序，但如果打印機需要特殊驅動程序才能打印高質量相片的話，這就會產生問題。相反，如果讓打印機作為主機，這樣打印機就能支持海量存儲外設，相機與打印機線連就像相機與PC連接一樣，從而可以實現對相機的存取。現在許多照片打印機都內置閃存讀卡器，這對支持 OTG 功能的相機和照片打印機市場都產生了較大影響。

考慮到 DSC 的便攜性，在向 PC 傳輸照片以清空相機的存儲空間時，Certified WUSB 似乎也是一種理想的選擇。不過唯一潛在的問題是，在 DSC 中采用 WUSB 標準，會增加成本，而 DSC 本身對成本控制是非常重視的。不過，我們可以通過這種技術省去連接線纜的麻煩，而且相機本身也不用再配備 USB 接口，這或許會抵消支持 WUSB 標準所帶來的成本問題。顯然，如果 WUSB 還不能做到像目前有線 USB 一樣普及的話，那么取消 DSC 上的 USB 連接器就不可能實現。

便攜式媒體（音頻或視頻）播放器

與 DSC 一樣，便攜式音頻或視頻播放器也涉及到存儲類型與容量的問題。存儲類型有兩種，一是硬盤存儲，二是閃存存儲。就用戶的同步應用而言，前面關于 DSC 的問題同樣也適用于這種設備。對這種設備而言，只有高速 USB 才是真正最適用用的解決方案，不過對極低端的設備而言可能例外。DSC和便攜式媒體播放器 (PMP) 的唯一本質區別在于，PMP 可能在回放中要求支持向 PC 同步實時傳輸數據流，或者采用 OTG 技術來直接將實時數據流傳送至揚聲器／耳機系統。我們會看到，除了極高端的新一代音頻格式之外，全速 USB 更適用于同步音頻流應用。不過，在處理實時視頻流時，頻寬會猛增到 30 Mbps 左右，因此需要高速連接。與 DSC 類似，這種設備也很適合采用 OTG 和 WUSB 連接。在此情況下，目標外設為揚聲器或耳機，而不是打印機。

移動電話／個人數字助理 (PDA)

這種設備的使用模式與DSC及PMP比較類似。我們同樣要考慮，需要多大存儲容量？隨著這種設備新增 MP3 播放器、百萬像素相機等更多功能，以及聯系人數據庫的規模增大，其存儲容量也在迅速擴大。隨著存儲容量的擴大，同步連接也需要采用高速標準。與 DSC 和 PMP 一樣，移動電話和PDA 也非常適合采用 OTG 技術。它們既是率先支持 OTG 功能的設備類型之一，同時也具備 WUSB 實施方案的所有主要特性。這類設備很可能成為率先支持原生 WUSB 功能的設備，而不是通過外接無線適配器來支持。

打印機

與海量存儲設備一樣，打印設備首先要考慮的問題也是，數據吞吐能力的瓶頸會發生在什么地方？激光打印機和噴墨／氣泡噴墨打印機的數據吞吐能力要求不一樣。包括數據壓縮等在內的其它打印機參數也會影響頻寬要求。不過，這些特性都會影響成本，而成本對消費類設備的影響是至關重要的。

噴墨／氣泡噴墨打印機是消費者最常用的設備。因此，這種設備對成本要求也是最敏感的。為了盡可能降低成本，通常由 PC 負責數據壓縮工作，但這要求設備提供更高的數據吞吐能力，特別在發送彩色文件時要求更高。高速 USB 接口可支持打印機最快打印速度（以每分鐘打印頁數為單位）。對不帶壓縮引擎的打印機而言，理想頻寬可達到 300 Mbps；而對帶有數據壓縮引擎的打印機來說，理想頻寬則可降至 10 Mbps 左右，不過這會增加打印機的成本。因此，對帶有壓縮引擎的噴墨打印機來說，消費者盡管可以采用全速 USB 連接，但成本方面還是不合算。因此，高速 USB 連接是更合適的選擇。由于本市場領域中成本非常重要，因此許多打印機仍然采用全速標準，每分鐘打印的頁數都不多，不過仍然基本滿足消費者的價位需求。

激光打印機面向較高端的市場，因此在成本上要求不是很嚴格。這就可以在打印機中集成壓縮功能，以便分擔部分數據處理任務。通常說來，激光打印機的打印速度要高于噴墨打印機。因此，我們需要高帶寬的高速 USB 接口來滿足有關需求。

要是在成本敏感型噴墨打印機市場中實施 Certified WUSB 的話，很可能行不通。而激光打印機市場倒是能夠承受這部分增加的成本。通常來說，激光打印機要滿足 SOHO 辦公應用的需求，更需要在打印機和筆記本電腦之間實現方便的連接。

若為上述兩種打印機添加 OTG 功能，它們便能直接打印 DSC 或 PDA 等便攜式消費類設備中存儲的內容，特別適合更高端的打印機的需要，這種打印機甚至開始配置小型數碼顯示器，不僅能顯示圖片和文件，而且還可進行圖文編輯。盡管這在連接到 PC 時沒什么用，不過對兩用 OTG 設備來說還是非常有用的。

PC 攝像頭或網絡攝像頭

網絡攝像頭通常分為兩類，一是采用壓縮技術的設備，二是發送原始數據流的設備。這兩種類型的設備都支持同步數據流。第一種設備通常以每秒 30 幀的速率對未壓縮視頻數據進行播放，分辨率為 640x480 百萬像素；第二種設備以每秒 24 幀的速率進行播放，分辨率為 1024x768，支持 RGB-24 (24 位，數百萬種色彩)。此外，大多數網絡攝像頭通過總線供電。與噴墨打印機一樣，這種設備不同品牌差別也不大，都是價格敏感型產品。表 1 和圖 2 顯示了使用不同攝像頭對非壓縮數據的帶寬要求。

表 1. 網絡攝像頭的帶寬要求

圖 2. 網絡攝像頭的帶寬要求

圖 2 顯示出，在使用非壓縮攝像頭時，必須采用高速 USB 標準。即便攝像頭采用壓縮數據，吞吐能力仍然要達到 30 Mbps 乃至更高。因此，這時我們必須使用高速 USB 連接。

USB OTG 不適用于網絡攝像頭應用，攝像頭功能無需作為主機使用。同樣，攝像頭也不適合作 OTG 設備的外設，因為攝像頭會要求 OTG 主機提供超過 8mA 的電流，而且這樣一來會增加外接電源或要求采用電池。

同樣，就 Certified WUSB 而言，功耗和成本問題也會使攝像頭不適于采用 Certified WUSB 連接。攝像頭的平均售價約為 60 至 100 美元。從經濟角度來說，如果采用WUSB 硅技術將使攝像頭的成本相應提高5至10美元甚至更高，這是不可行的。此外，要支持 WUSB 的話，攝像頭制造商還必須提供 AC 電源轉換器，這不僅會提高成本，而且還會讓 WUSB 的便捷優勢大打折扣。

揚聲器／耳機

我們在考慮揚聲器的同步帶寬要求時，首先要做的就是了解其支持哪種音頻格式，具體包括杜比數碼 (AC-3)、DTS 數字環繞音響、THX 和新一代非壓縮音響等。杜比數碼是一種 5.1 聲道的環繞音響格式，也是 DVD 視頻的標準。DTS數字環繞音響也是一種 5.1 聲道的環繞音響格式，是一種能夠與杜比數碼相媲美的類似技術。THX Surround EX 也稱作杜比數碼 EX，指的是支持最新 6.1 聲道環繞音響格式的新版杜比數碼，它通過新增位于觀眾身后的一個或兩個揚聲器，改進了原先的 5.1 聲道效果。此外，還有幾種音頻格式也能與杜比數碼相提并論，如頂級揚聲器可支持 24 位、每聲道 96kHz 的非壓縮數據流。表 2 總結了不同格式的帶寬要求，其中唯一超越全速 USB 支持能力的格式就是新一代非壓縮音頻。

表 2. 音頻帶寬要求

揚聲器似乎不太適合作為全面的 OTG 設備，不過它們可以作為具備OTG功能的外設，支持音頻或視頻播放器，其中包括如 MP3 或便攜式 DVD 播放機器等。對 WUSB 而言，重點主要是高端揚聲器，它們能承受更高的材料清單成本(BOM)。這種揚聲器可以作為 PC 的高端游戲音響系統，也能作為家庭娛樂系統的低音炮和揚聲器組合。一般 PC 揚聲器（低成本揚聲器，通常都隨 PC 或其它低端專用產品配套提供）不會采用這種標準，因為這會提高成本，消費者也不希望為性能平平的無線揚聲器多掏腰包。

相比于揚聲器，耳機的帶寬要求更容易被滿足，全速 USB 完全可以滿足有關要求。通常說來，耳機只需要 128 kbps 的帶寬來支持兩個高質量音頻流。耳機不必支持 OTG 功能，不過作為目標外設，還是很不錯的解決方案。高端耳機（平均零售價在 199 美元以上）可采用 WUSB 技術連接到 PC，支持 VoIP 等應用，也可支持 PDA、移動電話等。

未來——今后 USB 將如何發展？

為了真正評估速率需求，我們應了解哪些因素將推動速率增長。上述終端設備的發展呈現兩大趨勢：一是內容越來越豐富，二是存儲容量越來越大。正如蛋和雞的道理，我們說不清楚到底是豐富的內容推動了存儲容量需求的增長，還是存儲容量的增長催生了消費者對內容豐富性的需求。

內容的豐富性突出表現在數碼相機市場上。1998 年，DSC 的平均分辨率為 100 萬像素。2004 年為 500 萬。現在，像素已接近 1000 萬。如今，移動電話也具有支持 130 萬像素的拍照功能，今后幾年將向 500 萬像素發展。沒有任何跡象表明這一發展趨勢會減速。

同時，DSC 正從光學變焦（需要龐大而昂貴的機電子系統）向數碼變焦發展。數碼變焦推動了更高分辨率的需求，可支持 DSC 用戶在已捕獲到的數碼圖像基礎上進行放大，同時又能保持圖像原始的高清晰度。這兩種趨勢均要求具備更大的存儲容量并支持更大圖像文件的傳輸。JPEG 拍照圖像的平均大小已從 1998 年的 100 KB 上升到了目前的 4 MB。此外，還需要頻繁地清空數碼相機的存儲空間。用戶希望將內容從相機中移走，以釋放更多剩余空間，接著又會很快被用完。

內容的豐富性還體現在采用了基于硬盤驅動的便攜式媒體播放器上。該播放器包括 MP3 和視頻播放器。大多數內容都應支持途中欣賞。電影正從標清（需 5.7GB 的存儲空間）向高清格式過渡（25 GB 的存儲空間）。有了 40GB 的存儲空間，MP3 播放器就能存儲 1 萬首歌曲，這一功能正在逐步推廣。

存儲容量的發展超過了過去幾十年的技術發展速度，甚至超過了摩爾定律。就存儲容量而言，我們要考慮到硬盤驅動器 (HDD) 和閃存領域的技術發展趨勢。1996 年，普通 HDD 直徑為 3.5 英寸，轉速為 3,600 RPM，存儲容量為 540 MB。2004 年，普通 HDD 直徑為 2.5 英寸，轉速為 9,600 RPM，存儲容量達 160 GB。HDD 的尺寸也在不斷縮小，如今有些容量達 5 GB 的硬盤只有 1 英寸大小，甚至容量為 4 GB 的硬盤，其尺寸僅為0.85 英寸。這種新型 HDD 面向小型化便攜式應用，其中包括移動電話和 MP3 播放器等。考慮到上述因素，從發展趨勢上講，我們可以預計，在保持當前 104% 的年容量增幅情況下（這是摩爾定律的兩倍），到 2008 年，普通硬盤的平均容量（不是最高容量）將達 2,750 GB，直徑將為 2.1 英寸，轉速將達 15,700 RPM。閃存首次出現于 1989 年，容量為 1 MB，到 2004 年，閃存容量達到了 1 GB。若能繼續保持這種發展態勢，則到 2008 年，閃存芯片將支持 6.4 GB 的容量（存儲容量年增長率達 58%，僅次于摩爾定律）。

我們從圖 3 可以分析出在電腦和存儲設備間傳輸 20 GB 數據所需的速率，在此我們假定帶寬效率為 50%，設傳輸時間分別為 10 秒鐘、1 分鐘和 5 分鐘。通常，多數用戶對移動設備傳輸時間的忍耐極限為 5 分鐘，而且大都希望傳輸時間為一分鐘甚至更短。很少有用戶會將移動設備中的全部內容都發送出來。因此，我們不妨估計，今后 USB 提速改進時可將 5 Gbps 作為一個目標。圖 4 顯示了在假定帶寬效率為 50% 的情況下，傳輸不同尺寸的數據圖像所需的時間。

圖 3. 在電腦與存儲設備間傳輸 20GB 數據所需的速率分析（假定帶寬效率為 50%，設傳輸時間分別為 10 秒鐘、1 分鐘和 5 分鐘）。

圖 4. 傳輸不同尺寸數據圖像所需的時間（假設帶寬效率為 50%）。

哪種 USB 是您的最佳選擇？

第一部分回顧了 PC 外設發展的簡史、對通用接口的需求以及 USB 規范的演進。我們還討論了 USB 規范本身及其對最終用戶使用體驗的影響。最后還回顧了規范的發展歷程，介紹了當前使用的幾種不同的 USB 版本。

第二部分介紹了常見的應用，討論了不同 USB 版本的優劣勢，由此確定不同應用該如何選擇合適的 USB 版本。之后討論了某些應用的未來發展，指出到 2009 年乃至更遠的未來，勢必需要更高級的數據吞吐管道。