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为不同应用选择合适的USB接口

Thomas Neu, Systems Engineer, Texas Instruments

本文将讨论在过去五年时间里 USB 接口在市场中的应用情况，还将介绍超高速USB (USB 3.0) 及其对 USB 市场的影响，以及 Thunderbolt™ 技术及其对未来 PC 接口的影响。文章最后，我们还会讨论 USB-IF 为了增强终端消费者 USB 体验而最新推出的一些新的发展计划。

USB 2.0 回顾

正如 In-Stat 的 Brian O’Rourke 多年以前所说的那样，USB 是 PC 历史上最为成功的一种 I/O。在它出现 15 年以后的今天，情况仍然没有发生变化。正如我曾在 2007 年系列文章中所介绍的那样，USB 2.0 是一种接口规范，它定义了三个速度节点：低速、全速和高速。

今天的一些新产品仍然在广泛使用这三种速度规范。低速 USB 继续用于大多数人机接口设备，例如：键盘和鼠标。全速 USB 规范仍然用于许多工业、医疗和工业控制应用。最后，高速规范是大多数新型大内容消费类产品的主要接口，例如：便携式媒体播放器、数码相机以及无处不在的闪存驱动器。

USB 高速产品是受到超高速 USB 影响最大的一种接口，因为用户需要存储更多的内容，想要获得更好的内容同步转发体验，我们将在稍后详细介绍。

五年来，USB 市场发生的第二个（USB 3.0 规范发布排名第一）最大变化是使用 USB 接口为电池供电型便携式消费类产品充电。在发布之初，USB 规范并未真正考虑到使用 VBUS 为电池充电的潜在需求，根据其定义主端口或者自主供电集线器端口电压和电流分别为 5V 和 500 mA。

USB-IF 为 USB 规范发布了一个电池充电附加规范，目的是在使用一条标准的USB 连线为设备充电时，提高用户的使用体验。电池充电 (BC) 规范定义了设备协商获得额外功率的机制，这样，主（集线器）端口便可兼容电池充电。在主端口，该规范定义了支持充电的三种端口类型：

  • 标准下游端口 (SDP)：
    • 这与所有预电池充电下游端口相同
    • 枚举期间提供高达 100 mA 电流
    • 枚举期间提供高达 500 mA 电流，用于通过数据传输线充电
  • 充电下游端口 (CDP)：
    • 枚举期间提供高达 100 mA 电流
    • 提供高达 1.5A 电流，用于通过数据传输线充电
  • 专用充电端口（DCP）：
    • 称作墙上适配器充电模式
    • 提供高达 1.5A 电流，用于非数据传输线充电
    • 主端口关闭时充电。

除 USB-IF 电池充电规范以外，还有其他电池充电相关接口发展规划。中国政府规定移动电话必须使用微型USB接口充电。这被称作中国电信模式（YD/T 1591-2009 标准），因为它与电流充电有关。出台该规定的目的是让手机提供商不用为每种手机都配备一种新的充电器（使用专用接口）。规定并未要求必须使用标准的 USB 线充电，它要求手机使用 USB 接口的 VBUS 线路进行充电。它是一种墙上适配器，在连线一端有一个微型USB插头。除此以外，欧盟也发布了一条指令，指令已于 2011 年生效，内容基本与中国规定相同，同样要求手机使用微型USB接口充电。最后，我们来说一说苹果公司的产品，例如：iPhone 和 iPad，它们都使用自有充电方案，让其在连接至 MAC USB 端口时能够获得更多的电力。

移动 (OTG) USB，并非真移动……

2007 年，USB 2.0 规范的OTG USB附件相对较新，还无从判断什么样的产品会采用这种面向便携式设备的标准（正如其名称所示）。自那以后，很少有设备会采用 OTG。

但是，之后又发布了一种新版的规范，它定义了一个新“类别”设备，规范将其定义为嵌入式主机 (EH)。EH 产品本质上是一种即想作USB主机又想作 USB 外围设备的设备，但针对的却是独立总线/应用。EH设备可以有一个单独 B 型接口（或者 A 插头的附属线），以让其作为标准 USB 主机的外围设备。它还可以有一个或者多个A插头，用于服务连接的 USB 外围设备。

它的目的是让两条总线完全相互独立，以服务于两种不同的用途/应用。相比根据规范可以拥有一个单独微型 A/B 插头（具体取决于插入连续线的哪一端）的 OTG 设备，其将决定产品是处在主机模式下还是外围设备模式下，但在任何时候都只有一条单独 USB 总线有效。

一种可能的嵌入式主机产品例子是通过其外围总线连接至 PC 的打印机，但它同时也可以在 A 接口插入连接一部数码相机或者一个闪存驱动器，用于直接打印。第二个例子是通过外围接口将数码相框连接至 PC 以加载图片，或者允许插入闪存驱动器进行下载操作。与 USB OTG 类似，由于 EH 设备可能无法为连接到其主机总线的未识别外围设备加载驱动程序，因此它们对其目标外围设备列表 (TPL) 进行了定义。

认证无线 USB 是个好主意，但是…?

就 OTG 而言，认证无线 USB 最近才进入这个开始于 2007 年的市场。在这期间，该版本的 USB 在市场中几乎没有获得什么发展。如果您到 USB-IF 网站上查看集成器列表，并搜索无线 USB 产品，您会找到共计 125 种认证产品（截止 2011 年 12 月 8日）。

为了方便比较，如果您在相同列表中搜索超高速 USB 产品，找到的结果是前者的 2 倍多，而且搜索时间仅为其一半。我相信，这才是真实的情况，那种名义上的好主意遗忘了有线 USB 连接的关键好处之一——为便携式设备充电。如前所述，这种特性并非原始 USB 2.0 规范的组成部分，仅在无线 USB 规范发布以后才真正成形。

超高速 USB 更新

USB 3.0规范于 2008 年 11 月向公众发布，让人们能够紧跟技术发展。规范推动组织的目标是提供四个关键的超高速 USB 值：

  • 传输速率增加至 5 Gbps，面向高速同步传输应用
  • 更高的带宽利用率
  • 优化功率效率
  • 向后兼容 USB 2.0，向前兼容 USB 3.0。

超高速 USB 在 PC 上的采用速度超过了 21 世纪初发布 USB 2.0 时的采用速度，2012 年以后，由于 AMD 和英特尔公司都发布了支持 USB 3.0 的芯片组，这种 USB 将获得迅猛发展。

那么，问题是“什么样的应用会关注这种接口带来的好处呢？”在 2007 年发表的系列文章之第 2 部分结尾处，我认为人们需要超高速 USB 带来的高数据传输吞吐量。需要传输的数据内容量和类型日益增加。随着图像和电影分辨率的提高，个人文件体积也急剧增大。这些合在一起，共同推动对于便携式设备大存储容量需求的增长，终端用户迫切需要有一条非常高速的数据传输通道，以将这些内容从便携式设备传输到某个集中存储地点，反之亦然。这就是我们所指的高速同步传输。

除这些便携式消费类产品以外，工业、医疗和控制应用方面的发展，也希望能够将大量数据传输至某个处理单元中，以实现实时响应/控制。在消费类产品细分市场以外，用户也已采用超高速 USB，图像采集、机器视觉和数据采集便是例证。

除这些便携式消费类产品以外，工业、医疗和控制应用方面的发展，也希望能够将大量数据传输至某个处理单元中，以实现实时响应/控制。在消费类产品细分市场以外，用户也已采用超高速 USB，图像采集、机器视觉和数据采集便是例证。

在 USB 2.0 中，事务处理为广播型。这就意味着所有下游端口都必须发送相同的信息，而与预定目标无关。这就是说，所有下游端口和外围设备都要消耗功率来确定数据是否针对它发送。使用定向传输以后，只有外围设备所连接的主下游端口（以及映射目标的任何中间下游集线器端口）会消耗功率。

另外，接收数据时只有目标外围设备必须消耗功率。第二个因素是，当不主动发送或者接收数据传输时，设备可以进入中间闲置（低功耗）状态。最后一个重要变化是不再需要使用设备轮询。这有助于在提高总线利用效率的同时，降低 USB总线的总功率消耗。

Thunderbolt™ 如何影响 USB？

很明显，Thunderbolt™ 技术 (TBT) 是当下非常新的一种技术，随着时间的推移它的结果如何还有待观察。如果您不熟悉 TBT，那么我推荐您到英特尔 Thunderbolt 社区详细了解一下。它的基本概念是把 DisplayPort (DP) 和 PCI-Express (PCIe) 都安装到主机系统中，对它们进行集成，然后通过一条单独连线发送经过组合的数据。请参见图 1。

图 1 PC 系统 Thunderbolt™ 技术实现例子

外围系统根据要求获取 PCIe 和/或 DP 信号。请记住，DP 和 PCIe 源并非不断变化。因此，用于这些接口的性能保持一致。

基本上来说，TBT 通过一个单独的低成本连线/接口系统，不断扩展连接外围设备的内部 PC I/O 架构。这样，广大系统设计人员便可以极具创新地进行便携式计算平台的人机工程学和小型化设计。通过同时提供数据（PCIe）和视频（DP），便可在外围设备中实现一种“内置 PC”环境。

用户使用桌面电脑时，仍然可以享受到全功能使用体验。一个 TBT 扩展槽可以实现所有 I/O，例如：我们常用的 USB、eSATA 和闪存读卡器等。我认为 TBT 和 USB 应为互补。当然，作为 PC 系统的重要接口，USB 不会就此消失——它的使用实在是太普遍了。自己问自己两个问题：

  1. 有人会付钱购买一个 10 Gbps SerDes 接口的鼠标/键盘/游戏操纵杆吗？
  2. 我会把闪存驱动器插到哪里呢？

得到您的答案以后，再结合前面所讨论的使用 USB 接口为手机充电的内容，我便无法想象在不远的未来，是否能够彻底将 USB 从便携式计算平台和扩展接口环境去除。

新 USB-IF 发展规划

2011 年，USB-IF 推出了两项新的发展规划，旨在进一步增强消费者的 USB 使用体验。

第一项规划是组建工作组，制定一种新的供电规范。目的是对 USB 连线中 VBUS 线路新的使用情况进行定义。这种新的规范还可能会增加接口的最大功率，从而向一些新的潜在总线供电外围设备开放。

制定这种新的供电规范，旨在补充现有电池充电规范，并向后兼容现有 USB 2.0 和 USB 3.0 主机、集线器和外围设备接口（这一点与所有 USB 发展计划一样）。USB 供电预计将具有的一些重要特性包括：

  • 兼容现有 USB 2.0 和 USB 3.0 设备、系统、连线和接口
  • 通过USB电源引脚协商电压和电流值
  • 电压和电流选择更高，可提供高达 100W 功率
  • 连线任意一端可为电源，实现利用墙式电源供电外围设备的系统充电

第二项发展规划是发布新的音频/视频设备类别规范。同所有设备类别规范一样，其目的是定义一整套公共软件指令和硬件设置，以在所有平台之间实现通用，而与设备的制造厂商无关。制定这一规范，旨在为标准 USB 连接使用定义一种简单的方法，以将音频和视频从一些新型大容量便携式消费类设备（例如：电话、照相机等）移动到各种显示设备，包括投影仪、大尺寸高清显示器和电视机等。

结论

本文讨论了USB的最新市场发展情况，简单介绍了USB 3.0 规范，探讨了 Thunderbolt™ 技术以及它和 USB 3.0 未来将如何同共存在的情况。另外，还介绍了 USB-IF 正在制定的一些新的发展规划，它们将不断提高消费者的用户体验，并将为我们所接受，最终成为我们日常生活的一部分。对于我来说，现实问题是：

  • 下一个速度节点在哪里？
  • 会出现光纤 USB 吗？
  • 在您的想象中，这种通用接口还有其他新的使用样式吗？