USB界面技术之应用

 

　　USB发展简史

　　自从IBM计算机于1981年提出开放架构的PC规格以来，计算机的操作运算速度及使用者接口朝向更快速、精简的路迈进，然而延伸PC架构接口的发展趋势，目前以USB 2.0及IEEE 1394最令人津津乐道;而Intel于2000年4月正式推出免费授权的USB 2.0版架构，使得原本早期的USB 1.1接口如虎添翼，传输速度由12 Mb/s跃升为480 Mb/s的高速版本(High Speed)，并且具有容易使用、热插拔、同时可支持127个外围设备(如USB Hub/集线器这类的辅助装置来把这些设备接上)等特点，虽然USB 2.0与IEEE 1394两者接口在市场上仍存有许多重迭的灰色地带，特别是现在到处充斥着『家电信息化』或『信息家电化』的未来趋势，更使得两大门派增添不少想象空间，不过就目前的PC相关外围市场而言，以Intel捍卫PC市场的决心来看，似乎让USB 2.0接口除了可巩固现有市场(USB 1.1)外，尚可更快加速扩大现有的市场，而IEEE 1394若想要在这个领域超越的话，似乎还得再加把劲。

　　当初制定USB的目的有三个：Ⅰ.使个人计算机具备通讯的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具备强大的扩充性。由这三点可以清楚的知道USB接口能够轻易地连接PC外围产品，使用者不需因不同的外围装置而需找其对应的埠(Port)连接。至于市场的预测主要以PC为主，其中98%~99%的个人计算机皆有USB接口，其主要外围应用产品以鼠标和键盘为主。表1为In-Stat对2001～2004年USB的市场预测。

　　USB规格的厂商共同设立了一个『USB应用者论坛(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非营利组织。而USB-IF 是一个以技术支持为首要的组织，目的在于接受各界对USB技术研发与应用建议的论坛。并且为促进高品质并具有兼容性USB设备研发、规格 测试等做产品的推广。同样地USB也和其它业界规格(如IEEE1394、DVD、DTS等)一样，USB1.0及USB2.0皆具正式卷标，而产品贴上USB2.0规格的卷标，便代表它与其它同样具有USB2.0规格卷标的外围正常使用，并且已经过完整测试及具有兼容性。其测试项目如下：

　　Ⅰ.适配卡、主机板及系统

　　(1)电源提供测试(Power Provider testing)

　　(2)传出讯号品质(Downstream Signal Quality)

　　(3)通用性(Interoperability)

　　Ⅱ.全速与低速集线器(不含高速支援)

　　(1)电源提供测试(Power Provider testing)

　　(2)传出讯号品质(Downstream Signal Quality)

　　(3)回传讯号品质(Upstream Signal Quality)

　　(4)设备架构测试(Device Framework Testing)

　　(5)互通性(Interoperability)

　　(6)平均电流消耗(Average Current Consumption)

　　Ⅲ.全速与低速外围

　　(1)回传讯号品质(Upstream Signal Quality)

　　(2)设备架构测试(Device Framework Testing)

　　(3)互通性(Interoperability)

　　(4)平均电流消耗(Average Current Consumption)

　　其中『互通性(Interoperability)』为衡量软件质量的一个重要指标。它指一个软件系统接收与处理另一个软件系统所发送的信息能力，反映该软件系统是否易于与另一个软件系统快速连接的接口。一般可用下列三点来评价：

　　Ⅰ.模块化：该软件所具有的模块结构能力。

　　Ⅱ.通信通用化：该软件使用标准通信协议和接口例行程序的能力。

　　Ⅲ.数据通用化：该软件使用标准数据表示的能力。

　　另外在设计USB 2.0设备时，还要注意到防治电磁干扰(EMI Remediation)、机身接地(Chassis Grounding)、布线设计(Trace Layout)、设备封装(Device Packaging)、电路板设计(Board Layout)及数据讯号衰减噪声(Data Signal Attenuation/Jitter)等问题。

　　另外值得一提的是USB 2.0传输规格全新加强版─USB On-the-Go (USB OTG)，即USB 2.0的追加规格(Supplement to USB 2.0 Specification)，亦称OTG规范，是USB-IF针对USB 2.0既有标准追加上去的补充条款。它允许让各个装置都能够扮演主控者的角色，目前市场上极被看好且具明星相貌的装置─PDA、影像行动电话、数字相机、可携式硬盘及NB等装置。举例来说：当PDA变成主控装置时，可以与其它品牌的PDA做数据传输或档案交换等功能;当与行动电话接上时，可经由它上网，上传或下载讯息;当与打印机接上时，即可打印图片或档案;当与数字相机接上时，便可以储存或交换影像图片档案;连接上硬盘时，亦可备份或储存数据。同理，其它装置变为主控装置时，亦可与被控装置做多元化变换的功能，是谓广泛又富高度的弹性。

　　以下就USB市场所衍生的相关产业做详细的分析：

　　闪存市场

　　手持或携带式电子产品等，强调电源节约度的产品已广泛成为下一世代的主要需求，而非挥发性内存在近年来的应用日渐重要。在此范畴中的产品包含Flash Memory、Mask ROM及EEPROM(反之则为DRAM及SRAM)。其中又以Flash Memory可重复读写并且存取速度快而最受瞩目。

　　Flash Memory之所以能够在未施予外界电源的情况下，而仍能保存数据的主要原因，在于内存组件本身具有与外界隔离的悬浮闸(Floating Gate)，经由良好的设计与制造程序，此一称为悬浮闸的区域可长时间储存电荷而不致流失，故数据可被妥善保存。当欲抹除所储存的数据时，则仅需藉由操作电压的改变，即可将保留于悬浮闸中的电荷移去。另外Flash Memory的优点尚包含：在恶劣的环境下(震动、摇晃、强烈的温差)依然有相当高的可靠度、嵌入式系统中依旧有相当便利的覆写数据能力及非挥发性(数据不需依靠持续充电维持)等。表2为Flash与DRAM产业特性的差异分析表。

　　根据IC Insight的统计，Flash Memory主要的应用是在于通讯、消费性及计算机相关的3C产品上，如图1所示。三者合计约占整体市场的84%。倘若进一步将Flash Memory依结构与工作原理区分，根据Dataquest预估的数据显示，去年适用于储存程序代码的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦称为Code Flash)之产值约占Flash总产值的80%左右，其余则为适用于一般数据储存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦称为Data Flash)。图1为Flash应用领域之产值比重分析图。

　　一般而言，Flash可分为两大类，NAND Type及NOR Type。NAND Type Flash因存储元件尺寸较小，主要用于储存数据，容量较大，目前主流为64MB、128MB，今年底前1GB产品应可问世，其产品多搭配MP3随身听、数字相机、PDA、行动电话、掌上型计算机及数字摄影机等做为储存影像、音乐及一般数据之用。由于在使用上，受上述可携式产品体积限制的影响，而无法内建庞大容量的内存;因此NAND Type Flash有超过八成以上的比例是封装成小型记忆卡以供消费者做为外加之用。依小型记忆卡的市场现况推论，笔者认为NAND Type Flash现阶段主流容量约为64Mb与128Mb。不过随着厂商致力于制程微缩，每位NAND Flash的制造成本正快遽下滑，因而可以预期不论是消费者购买外加记忆卡的数量或硬件产品中内建NAND Flash之容量将明显增加。图2为Dataquest对全球NAND Type Flash的市场预测图.

　　NOR型的主要的应用为程序代码的储存，容量相对较小，但具有存取快速的优点，行动电话的需求量为其最大的用途，目前市场行动电话主流规格容量为16MB，几乎为2001年的倍增，占NOR Flash整体需求的47.3%，其次为Set-Top Box、计算机主机板、局域网络路由器及光驱。为配合行动电话产品之发展，现阶段NOR Flash的容量是以8Mb、16Mb及32Mb为需求的大宗。由于包含行动电话在内的各种产品功能将日趋复杂，每一产品对NOR Flash的单位用量可望随之提升。因而Dataquest预估，NOR Flash用量前五大的产品至2004年为止，复合成长率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode营运模式的需求下，对容量的要求更高，高达32MB，未来在2.5G、3G出线后，容量势必将再向上倍增。图3为Dataquest对全球NOR Type Flash的市场预测图及表3为Flash之特性与应用表。

　　美国PDA Buzz网站最近刊登了一篇消费者最常使用的PDA周边附属产品调查，时间为2002年4月，有效样本为1535份，由表4得知，最常使用的仍是记忆卡，占34.4%，目前PDA的扩充槽接口，多半是以内建CompactFlash Type II和Secure Digital(SD) Card为主，且以目前和未来PDA的发展趋向而言，似乎新推出产品都趋向以SD Card为主流。再者其次是键盘，占21.8%，一般而言，在操作计算机时，皆以键盘输入为主，而操作PDA时，尤其是输入文字较多时，以键盘输入较为方便。第三则是数字相机，占12.1%，PDA加上数字相机所占的比例近五成，由于两者可产生多元化的变换应用，对于一些需要实时影音的撷取、传递影像的特定行业应用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，则因整个通讯传输环境尚未建置完善，再加上传输速度尚受限，因此消费者对于此类的外围附属装置需求会较少。

　　对Flash而言，将Flash整合进其它芯片的Embedded Flash就成为一种趋势。一旦整合芯片，有成本上的考量时，厂商就有可能采取Embedded Flash的方式来减少空间。并随着次微米的制程技术及先进的封装技术(传统采用TSOP封装方式，现在则流行使用CSP封装方式)来缩小芯片的面积，在低耗电、高密度及小体积等要求下，Multi Level Cell 与Multi Chip Package的Flash Memory产品将是未来发展的重要趋势。

　　相关组件市场

　　(一)PPTC & PolySwitch组件

　　正温度系数热敏电阻(PPTC)自复式组件主要是对破坏性的电流过载冲击进行保护，应用于计算机和外围设备的电路保护，以确保在发生意时的错接或短路的情况下，不会导致永久性的内部和外部电路受损。其组件迅速地成了I/O Circuit保护的工业标准，广泛应用于USB、IEEE1394、VGA及PS2上。由于此组件是由特殊结构的高分子和导电粒子混合而成的导电聚合物制成，常温时导电粒子在导电聚合物中形成低电阻链，一旦操作温度超过组件的动作温度时，导电聚合物内的结晶就会融化而形成无定型状态。结晶融化后体积增加，使得导电粒子相互分裂，促使组件的电阻呈现非线性增加。发生电路故障时，电阻增加，将电流量降至最低，发挥保护作用。待故障消失后，电路电源除去则组件自动重新设定，回复正常工作状态。

　　除了 PPTC组件做为电流过载冲击保护的组件外，尚可利用PolySwitch作为电源负载管理的组件，它不仅防止电流过载保护，亦向系统的控制端发出提示信号，表明是否为可用或不可用之状态(如电压不足、过载、温度过高及电流过载等)。因此对于设计者欲使用较完善之保护组件，PolySwitch所提供的较短动作时间及过载电流限制能力，绝对符合设计者的要求，并且可以使设计者选取较小的电源。

　　(二)Ferrite Core组件

　　电磁兼容(EMC)系指电子电气产品在操作时，会幅射出电磁波，而电磁波是一种『非游离幅射』会对其他电子产品正常操作产生干扰、甚致对人体产生危害，影响所及包括飞机的导航设备、汽车的控制系统、甚至人体的心率调整器也会产生影响，为排除电磁干扰的影响，创造出电磁兼容(EMC)的环境，方法包括降低电子电气产品的电磁干扰(EMI)及提高电子电气产品的电磁耐受性(EMS)等。

　　USB接口的连接线为了避免Crosstalk(串音或串扰)，除去会混入高速传送信号中的噪声，是必要的对策。在高速的差动信号传送下，由于接地层与电源层的信号摇摆，使得放射噪声增加。因此目前普遍采用共模抗流线圈(Common Mode Choke Coil)及铁氧体磁芯(Ferrite Core)来将EMI的噪声降低。而共模抗流线圈主要的目的在于除去接地层的电压摇晃及讯号配线所产生的噪声。当同相位的电流因磁束重迭而产生阻抗，除去噪声。相对地电流为反相时，因电流产生的磁束相互打消，而不会产生阻抗。

　　换句话说，共模抗流线圈不会对Normal模式电流产生影响，而是针对共模电流做选择性的衰减。而铁氧体磁芯(Ferrite Core)是以高温烧成的金属氧化物，主要作为高频线圈及变压器等产品之磁芯。而铁氧体磁芯可分为镍锌与锰锌铁氧体磁芯两大系列，在电子组件的引线上套上一些管型或环型的软磁铁氧体磁芯，利用铁氧体磁芯的电磁损耗有效地消除传导及幅射的EMI噪声，此种方法简便且成本低廉，并且广泛运用于各种信息产品。

　　(三)ESD组件

　　静电放电(Electrostatic Discharge/ESD)是自然界中电位快速变化所造成的现象，亦是造成大多数的电子组件或电子系统受到过度电性应力(Electrical Overstress/EOS)破坏的主要因素。这种破坏会导致半导体组件及计算机系统形成一种永久性的毁坏，进而影响集成电路 (Integrated Circuit/IC)的功能，使得电子产品不正常动作。而静电放电破坏的产生，多半是由于人为因素所形成，但又很难避免，电子组件或系统在制造、生产、组装、测试、存放及搬运等的过程中，静电会累积在人体、仪器及储放设备等中，甚至在电子组件本身也会累积静电，而人们在不知情的情况下，使这些物体相互接触，因而形成了一放电路径，促使电子组件或系统遭到静电放电的肆虐而造成损坏。

　　由于全球对高运算速度与低功率消耗的IC产品需求提升，***的IC制程技术已进入0.09微米的时代，藉由缩减IC芯片面积、降低制造成本来提升产品的性能与良率。在次微米制程的持续开发下，集成电路中I/O接脚所连接的内部组件尺寸都极微小，很容易受微弱的静电所破坏，因此ESD对于半导体产业从设计、制造、测试及运送过程中，一直扮演着杀手的角色。现今商用IC在ESD防护能力的国际标准基本规格为HBM ESD测试要达2000伏特以上，欲提升***IC产品的国际竞争力，IC产品的ESD规格就必需要能符合国际水准，而ESD防护能力便成为价格竞争的关键之一。

　　迷你型储存媒体市场

　　近年来，除了行动电话市场快速成长外，MP3随身听与数字相机也持续地普及，加上新型可携式产品的推陈出新，造成全球Flash市场急遽扩张，后势极为看好!为了因应此一快速扩张的市场，***厂商相继投入信息家电(IA)新的嵌入式应用领域，将应用平台推向更多元化的发展以扩大市场。过去以信息应用为主的PC，已逐渐步入专用型的领域，故有特定功能之嵌入式应用产品出现，其主要特点有二：

　　Ⅰ.系统封闭性：即产品或系统本身不再具有任何型式之数据储存媒体，可以作为程序或数据的加载媒介(如PC中之软盘、光盘或硬盘等)，因此PC便不是一个具有封闭性的系统;而封闭性产品应该是绝大部份家电产品、通讯系统、日常设备、特殊仪器等之主要特性。由于具有封闭性，因此在功能的扩充上便十分有限，产品本身的自我检测、侦错及完成产品功能的核心部份皆须内建，这类的应用小如智能型玩具，大至飞弹等军事装备，均具此一特性;而这样的特性却也造成产品本身在未来发展上重大的限制，因而缺乏多元化应用或升级的弹性。

　　Ⅱ.可记忆与修改之弹性：由于产品本身具有封闭性，为了保有一些运算或升级上的需求，通常产品本身也需要具有可储存(记忆)与可修改的弹性，嵌入式软件通常是以只读型内存来储存其所必须的系统软件，因此具备了同时储存程序与数据的功能，而在某些特殊应用的产品上(如无线按键式电话便需要嵌入式软件来完成其通讯方面的功能，同时也需要具有记忆与更新所按入电话号码的能力)，此便需要具有同时可以储存程序与数据的功能及修改数据的能力。目前嵌入式应用产品普及的原因─信息产品朝「轻薄短小」、携带方便、信息流通便利发展，信息与家电产品及可携式产品间的信息互通，都使得产品走向逐步往高聚合性的3C嵌入式系统迈进，而这一潮流更为小型的储存卡创造了无限的发展商机。

　　迷你型储存媒体市场之所以能够吸引众多厂商的参与，无非是业者看上它未来雄厚的发展潜力，目前此类产品相当流行，特别是上班族及学生是其主要消费者;以目前市面上所”疯”靡的迷你储存媒体─随身碟(大姆哥)而言，储存容量为磁盘片的数十倍至数百倍，且造型精巧、可爱、又可充当吊饰，相当受到消费者的欢迎，况且此类产品电路极具简单，仅需一颗 Control IC、Flash Memory及外围零组件即可完成;至于是否完全取代磁盘片，价钱则是主要考量，笔者相信只要Flash Memory价钱能够降低，那么全面使用随身碟来取代磁盘片的日子必是指日可待。

　　由于小型记忆卡应用产品极为广泛，至今仍无统一规格可以独霸全部应用市场，是故主要大厂为掌握优势以取得未来市场的领导地位，无不使出浑身解数，大力推动其主导规格产品的应用。以SONY为例，为了进一步推广MS的应用，将不同的MS Card与System相结合(如GPS Stick、Bluetooth Stick及DSC Stick等)，其积极开发MS Card终端产品，从PC、消费性电子产品到玩具等一应俱全;另外SD Card亦成功地切入掌上型PDA之应用，而Multimedia Card则有着手机业者的背书，这些例子均可明显地看出运用迷你型储存媒体来补足嵌入式系统产品在扩充性能上的不足，实在是一个非常具有潜力的应用。

　　就未来产品的应用面分析，嵌入式系统搭配迷你型之储存媒体所创造出来的多元化应用，是一个必然的趋势，嵌入式系统有了「迷你型储存媒体」的助益，将使得嵌入式的应用如虎添翼，让嵌入式应用更加多元也将更加普及，而迷你型储存媒体也需要嵌入式产品坚固的承载平台，让其有效地发挥。因此「迷你型储存媒体」搭配「嵌入式应用」，将互蒙其利，相辅相成，有助于整个嵌入式应用市场的发展。表5为市售各种记忆卡之特性规格，表6为各记忆卡之优缺点。

　　结论

　　携带式产品事实上是包含3C的概念，如PSII、DVD Player等仍保有纯消费性产品的特质，但其余如数字相机、MP3随身听、PDA及手机等产品结合在一起，未来终结产品还没有看到，但趋势是很明显的，独立型产品的生存空间将逐渐受到压抑。未来手持式计算机(Handheld Computer)将有机会一统江湖，主要原因是其已具备高阶处理器与高容量内存或储存媒体，因此只要将不同功能的芯片，如无线通讯的RF芯片、数字相机的CCD撷取芯片、讯号转换的DSC芯片整合起来，一台未来的整合型的终结产品将会是每个人身边不可或缺的产品。就以往信息计算机应用项目来看，尽管计算机外设系统设备种类繁多，但在应用特性上仍旧是个人计算机的应用为主轴，无论是储存功能的CDROM、HDD，或是显示与输出功能的Monitor及Printer等，基本上仍旧是与个人计算机形成一对一的搭配关系。也正因如此，USB接口所衍生的相关外围产品越做越小。