本文將討論在過去五年時(shí)間里 USB 接口在市場中的應(yīng)用情況，還將介紹超高速USB (USB 3.0) 及其對 USB 市場的影響，以及 Thunderbolt™ 技術(shù)及其對未來 PC 接口的影響。文章最后，我們還會討論 USB-IF 為了增強(qiáng)終端消費(fèi)者 USB 體驗(yàn)而最新推出的一些新的發(fā)展計(jì)劃。
USB 2.0 回顧
正如 In-Stat 的 Brian O’Rourke 多年以前所說的那樣，USB 是 PC 歷史上最為成功的一種 I/O。在它出現(xiàn) 15 年以后的今天，情況仍然沒有發(fā)生變化。正如我曾在 2007 年系列文章中所介紹的那樣，USB 2.0 是一種接口規(guī)范，它定義了三個(gè)速度節(jié)點(diǎn)：低速、全速和高速。
今天的一些新產(chǎn)品仍然在廣泛使用這三種速度規(guī)范。低速 USB 繼續(xù)用于大多數(shù)人機(jī)接口設(shè)備，例如：鍵盤和鼠標(biāo)。全速 USB 規(guī)范仍然用于許多工業(yè)、醫(yī)療和工業(yè)控制應(yīng)用。最后，高速規(guī)范是大多數(shù)新型大內(nèi)容消費(fèi)類產(chǎn)品的主要接口，例如：便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)以及無處不在的閃存驅(qū)動器。
USB 高速產(chǎn)品是受到超高速 USB 影響最大的一種接口，因?yàn)橛脩粜枰鎯Ω嗟膬?nèi)容，想要獲得更好的內(nèi)容同步轉(zhuǎn)發(fā)體驗(yàn)，我們將在稍后詳細(xì)介紹。
五年來，USB 市場發(fā)生的第二個(gè)（USB 3.0 規(guī)范發(fā)布排名第一）最大變化是使用 USB 接口為電池供電型便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品充電。在發(fā)布之初，USB 規(guī)范并未真正考慮到使用 VBUS 為電池充電的潛在需求，根據(jù)其定義主端口或者自主供電集線器端口電壓和電流分別為 5V 和 500 mA。
USB-IF 為 USB 規(guī)范發(fā)布了一個(gè)電池充電附加規(guī)范，目的是在使用一條標(biāo)準(zhǔn)的USB 連線為設(shè)備充電時(shí)，提高用戶的使用體驗(yàn)。電池充電 (BC) 規(guī)范定義了設(shè)備協(xié)商獲得額外功率的機(jī)制，這樣，主（集線器）端口便可兼容電池充電。在主端口，該規(guī)范定義了支持充電的三種端口類型：
- 標(biāo)準(zhǔn)下游端口 (SDP)：
- 這與所有預(yù)電池充電下游端口相同
- 枚舉期間提供高達(dá) 100 mA 電流
- 枚舉期間提供高達(dá) 500 mA 電流，用于通過數(shù)據(jù)傳輸線充電
- 充電下游端口 (CDP)：
- 枚舉期間提供高達(dá) 100 mA 電流
- 提供高達(dá) 1.5A 電流，用于通過數(shù)據(jù)傳輸線充電
- 專用充電端口（DCP）：
- 稱作墻上適配器充電模式
- 提供高達(dá) 1.5A 電流，用于非數(shù)據(jù)傳輸線充電
- 主端口關(guān)閉時(shí)充電。
除 USB-IF 電池充電規(guī)范以外，還有其他電池充電相關(guān)接口發(fā)展規(guī)劃。中國政府規(guī)定移動電話必須使用微型USB接口充電。這被稱作中國電信模式（YD/T 1591-2009 標(biāo)準(zhǔn)），因?yàn)樗c電流充電有關(guān)。出臺該規(guī)定的目的是讓手機(jī)提供商不用為每種手機(jī)都配備一種新的充電器（使用專用接口）。規(guī)定并未要求必須使用標(biāo)準(zhǔn)的 USB 線充電，它要求手機(jī)使用 USB 接口的 VBUS 線路進(jìn)行充電。它是一種墻上適配器，在連線一端有一個(gè)微型USB插頭。除此以外，歐盟也發(fā)布了一條指令，指令已于 2011 年生效，內(nèi)容基本與中國規(guī)定相同，同樣要求手機(jī)使用微型USB接口充電。最后，我們來說一說蘋果公司的產(chǎn)品，例如：iPhone 和 iPad，它們都使用自有充電方案，讓其在連接至 MAC USB 端口時(shí)能夠獲得更多的電力。
移動 (OTG) USB，并非真移動……
2007 年，USB 2.0 規(guī)范的OTG USB附件相對較新，還無從判斷什么樣的產(chǎn)品會采用這種面向便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)（正如其名稱所示）。自那以后，很少有設(shè)備會采用 OTG。
但是，之后又發(fā)布了一種新版的規(guī)范，它定義了一個(gè)新“類別”設(shè)備，規(guī)范將其定義為嵌入式主機(jī) (EH)。EH 產(chǎn)品本質(zhì)上是一種即想作USB主機(jī)又想作 USB 外圍設(shè)備的設(shè)備，但針對的卻是獨(dú)立總線/應(yīng)用。EH設(shè)備可以有一個(gè)單獨(dú) B 型接口（或者 A 插頭的附屬線），以讓其作為標(biāo)準(zhǔn) USB 主機(jī)的外圍設(shè)備。它還可以有一個(gè)或者多個(gè)A插頭，用于服務(wù)連接的 USB 外圍設(shè)備。
它的目的是讓兩條總線完全相互獨(dú)立，以服務(wù)于兩種不同的用途/應(yīng)用。相比根據(jù)規(guī)范可以擁有一個(gè)單獨(dú)微型 A/B 插頭（具體取決于插入連續(xù)線的哪一端）的 OTG 設(shè)備，其將決定產(chǎn)品是處在主機(jī)模式下還是外圍設(shè)備模式下，但在任何時(shí)候都只有一條單獨(dú) USB 總線有效。
一種可能的嵌入式主機(jī)產(chǎn)品例子是通過其外圍總線連接至 PC 的打印機(jī)，但它同時(shí)也可以在 A 接口插入連接一部數(shù)碼相機(jī)或者一個(gè)閃存驅(qū)動器，用于直接打印。第二個(gè)例子是通過外圍接口將數(shù)碼相框連接至 PC 以加載圖片，或者允許插入閃存驅(qū)動器進(jìn)行下載操作。與 USB OTG 類似，由于 EH 設(shè)備可能無法為連接到其主機(jī)總線的未識別外圍設(shè)備加載驅(qū)動程序，因此它們對其目標(biāo)外圍設(shè)備列表 (TPL) 進(jìn)行了定義。
認(rèn)證無線 USB 是個(gè)好主意，但是…?
就 OTG 而言，認(rèn)證無線 USB 最近才進(jìn)入這個(gè)開始于 2007 年的市場。在這期間，該版本的 USB 在市場中幾乎沒有獲得什么發(fā)展。如果您到 USB-IF 網(wǎng)站上查看集成器列表，并搜索無線 USB 產(chǎn)品，您會找到共計(jì) 125 種認(rèn)證產(chǎn)品（截止 2011 年 12 月 8日）。
為了方便比較，如果您在相同列表中搜索超高速 USB 產(chǎn)品，找到的結(jié)果是前者的 2 倍多，而且搜索時(shí)間僅為其一半。我相信，這才是真實(shí)的情況，那種名義上的好主意遺忘了有線 USB 連接的關(guān)鍵好處之一——為便攜式設(shè)備充電。如前所述，這種特性并非原始 USB 2.0 規(guī)范的組成部分，僅在無線 USB 規(guī)范發(fā)布以后才真正成形。
超高速 USB 更新
USB 3.0規(guī)范于 2008 年 11 月向公眾發(fā)布，讓人們能夠緊跟技術(shù)發(fā)展。規(guī)范推動組織的目標(biāo)是提供四個(gè)關(guān)鍵的超高速 USB 值：
- 傳輸速率增加至 5 Gbps，面向高速同步傳輸應(yīng)用
- 更高的帶寬利用率
- 優(yōu)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 上的采用速度超過了 21 世紀(jì)初發(fā)布 USB 2.0 時(shí)的采用速度，2012 年以后，由于 AMD 和英特爾公司都發(fā)布了支持 USB 3.0 的芯片組，這種 USB 將獲得迅猛發(fā)展。
那么，問題是“什么樣的應(yīng)用會關(guān)注這種接口帶來的好處呢？”在 2007 年發(fā)表的系列文章之第 2 部分結(jié)尾處，我認(rèn)為人們需要超高速 USB 帶來的高數(shù)據(jù)傳輸吞吐量。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容量和類型日益增加。隨著圖像和電影分辨率的提高，個(gè)人文件體積也急劇增大。這些合在一起，共同推動對于便攜式設(shè)備大存儲容量需求的增長，終端用戶迫切需要有一條非常高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，以將這些內(nèi)容從便攜式設(shè)備傳輸?shù)侥硞�(gè)集中存儲地點(diǎn)，反之亦然。這就是我們所指的高速同步傳輸。
除這些便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫(yī)療和控制應(yīng)用方面的發(fā)展，也希望能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)傳輸至某個(gè)處理單元中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)/控制。在消費(fèi)類產(chǎn)品細(xì)分市場以外，用戶也已采用超高速 USB，圖像采集、機(jī)器視覺和數(shù)據(jù)采集便是例證。
除這些便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫(yī)療和控制應(yīng)用方面的發(fā)展，也希望能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)傳輸至某個(gè)處理單元中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)/控制。在消費(fèi)類產(chǎn)品細(xì)分市場以外，用戶也已采用超高速 USB，圖像采集、機(jī)器視覺和數(shù)據(jù)采集便是例證。
在 USB 2.0 中，事務(wù)處理為廣播型。這就意味著所有下游端口都必須發(fā)送相同的信息，而與預(yù)定目標(biāo)無關(guān)。這就是說，所有下游端口和外圍設(shè)備都要消耗功率來確定數(shù)據(jù)是否針對它發(fā)送。使用定向傳輸以后，只有外圍設(shè)備所連接的主下游端口（以及映射目標(biāo)的任何中間下游集線器端口）會消耗功率。
另外，接收數(shù)據(jù)時(shí)只有目標(biāo)外圍設(shè)備必須消耗功率。第二個(gè)因素是，當(dāng)不主動發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，設(shè)備可以進(jìn)入中間閑置（低功耗）狀態(tài)。最后一個(gè)重要變化是不再需要使用設(shè)備輪詢。這有助于在提高總線利用效率的同時(shí)，降低 USB總線的總功率消耗。
Thunderbolt™ 如何影響 USB？
很明顯，Thunderbolt™ 技術(shù) (TBT) 是當(dāng)下非常新的一種技術(shù)，隨著時(shí)間的推移它的結(jié)果如何還有待觀察。如果您不熟悉 TBT，那么我推薦您到英特爾 Thunderbolt 社區(qū)詳細(xì)了解一下。它的基本概念是把 DisplayPort (DP) 和 PCI-Express (PCIe) 都安裝到主機(jī)系統(tǒng)中，對它們進(jìn)行集成，然后通過一條單獨(dú)連線發(fā)送經(jīng)過組合的數(shù)據(jù)。請參見圖 1。
圖 1 PC 系統(tǒng) Thunderbolt™ 技術(shù)實(shí)現(xiàn)例子
外圍系統(tǒng)根據(jù)要求獲取 PCIe 和/或 DP 信號。請記住，DP 和 PCIe 源并非不斷變化。因此，用于這些接口的性能保持一致。
基本上來說，TBT 通過一個(gè)單獨(dú)的低成本連線/接口系統(tǒng)，不斷擴(kuò)展連接外圍設(shè)備的內(nèi)部 PC I/O 架構(gòu)。這樣，廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便可以極具創(chuàng)新地進(jìn)行便攜式計(jì)算平臺的人機(jī)工程學(xué)和小型化設(shè)計(jì)。通過同時(shí)提供數(shù)據(jù)（PCIe）和視頻（DP），便可在外圍設(shè)備中實(shí)現(xiàn)一種“內(nèi)置 PC”環(huán)境。
用戶使用桌面電腦時(shí)，仍然可以享受到全功能使用體驗(yàn)。一個(gè) TBT 擴(kuò)展槽可以實(shí)現(xiàn)所有 I/O，例如：我們常用的 USB、eSATA 和閃存讀卡器等。我認(rèn)為 TBT 和 USB 應(yīng)為互補(bǔ)。當(dāng)然，作為 PC 系統(tǒng)的重要接口，USB 不會就此消失——它的使用實(shí)在是太普遍了。自己問自己兩個(gè)問題：
- 有人會付錢購買一個(gè) 10 Gbps SerDes 接口的鼠標(biāo)/鍵盤/游戲操縱桿嗎？
- 我會把閃存驅(qū)動器插到哪里呢？
得到您的答案以后，再結(jié)合前面所討論的使用 USB 接口為手機(jī)充電的內(nèi)容，我便無法想象在不遠(yuǎn)的未來，是否能夠徹底將 USB 從便攜式計(jì)算平臺和擴(kuò)展接口環(huán)境去除。
新 USB-IF 發(fā)展規(guī)劃
2011 年，USB-IF 推出了兩項(xiàng)新的發(fā)展規(guī)劃，旨在進(jìn)一步增強(qiáng)消費(fèi)者的 USB 使用體驗(yàn)。
第一項(xiàng)規(guī)劃是組建工作組，制定一種新的供電規(guī)范。目的是對 USB 連線中 VBUS 線路新的使用情況進(jìn)行定義。這種新的規(guī)范還可能會增加接口的最大功率，從而向一些新的潛在總線供電外圍設(shè)備開放。
制定這種新的供電規(guī)范，旨在補(bǔ)充現(xiàn)有電池充電規(guī)范，并向后兼容現(xiàn)有 USB 2.0 和 USB 3.0 主機(jī)、集線器和外圍設(shè)備接口（這一點(diǎn)與所有 USB 發(fā)展計(jì)劃一樣）。USB 供電預(yù)計(jì)將具有的一些重要特性包括：
- 兼容現(xiàn)有 USB 2.0 和 USB 3.0 設(shè)備、系統(tǒng)、連線和接口
- 通過USB電源引腳協(xié)商電壓和電流值
- 電壓和電流選擇更高，可提供高達(dá) 100W 功率
- 連線任意一端可為電源，實(shí)現(xiàn)利用墻式電源供電外圍設(shè)備的系統(tǒng)充電
第二項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃是發(fā)布新的音頻/視頻設(shè)備類別規(guī)范。同所有設(shè)備類別規(guī)范一樣，其目的是定義一整套公共軟件指令和硬件設(shè)置，以在所有平臺之間實(shí)現(xiàn)通用，而與設(shè)備的制造廠商無關(guān)。制定這一規(guī)范，旨在為標(biāo)準(zhǔn) USB 連接使用定義一種簡單的方法，以將音頻和視頻從一些新型大容量便攜式消費(fèi)類設(shè)備（例如：電話、照相機(jī)等）移動到各種顯示設(shè)備，包括投影儀、大尺寸高清顯示器和電視機(jī)等。
結(jié)論
本文討論了USB的最新市場發(fā)展情況，簡單介紹了USB 3.0 規(guī)范，探討了 Thunderbolt™ 技術(shù)以及它和 USB 3.0 未來將如何同共存在的情況。另外，還介紹了 USB-IF 正在制定的一些新的發(fā)展規(guī)劃，它們將不斷提高消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)，并將為我們所接受，最終成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠�。對于我來說，現(xiàn)實(shí)問題是：
- 下一個(gè)速度節(jié)點(diǎn)在哪里？
- 會出現(xiàn)光纖 USB 嗎？
- 在您的想象中，這種通用接口還有其他新的使用樣式嗎？
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