本文將討論在過(guò)去五年時(shí)間里 USB 接口在市場(chǎng)中的應用情況，還將介紹超高速USB (USB 3.0) 及其對 USB 市場(chǎng)的影響，以及 Thunderbolt™ 技術(shù)及其對未來(lái) PC 接口的影響。文章最后，我們還會(huì )討論 USB-IF 為了增強終端消費者 USB 體驗而最新推出的一些新的發(fā)展計劃。
USB 2.0 回顧
正如 In-Stat 的 Brian O’Rourke 多年以前所說(shuō)的那樣，USB 是 PC 歷史上最為成功的一種 I/O。在它出現 15 年以后的今天，情況仍然沒(méi)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 是一種接口規范，它定義了三個(gè)速度節點(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范。低速 USB 繼續用于大多數人機接口設備，例如：鍵盤(pán)和鼠標。全速 USB 規范仍然用于許多工業(yè)、醫療和工業(yè)控制應用。最后，高速規范是大多數新型大內容消費類(lèi)產(chǎn)品的主要接口，例如：便攜式媒體播放器、數碼相機以及無(wú)處不在的閃存驅動(dòng)器。
USB 高速產(chǎn)品是受到超高速 USB 影響最大的一種接口，因為用戶(hù)需要存儲更多的內容，想要獲得更好的內容同步轉發(fā)體驗，我們將在稍后詳細介紹。
五年來(lái)，USB 市場(chǎng)發(fā)生的第二個(gè)（USB 3.0 規范發(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類(lèi)產(chǎn)品充電。在發(fā)布之初，USB 規范并未真正考慮到使用 VBUS 為電池充電的潛在需求，根據其定義主端口或者自主供電集線(xiàn)器端口電壓和電流分別為 5V 和 500 mA。
USB-IF 為 USB 規范發(fā)布了一個(gè)電池充電附加規范，目的是在使用一條標準的USB 連線(xiàn)為設備充電時(shí)，提高用戶(hù)的使用體驗。電池充電 (BC) 規范定義了設備協(xié)商獲得額外功率的機制，這樣，主（集線(xiàn)器）端口便可兼容電池充電。在主端口，該規范定義了支持充電的三種端口類(lèi)型：
- 標準下游端口 (SDP)：
- 這與所有預電池充電下游端口相同
- 枚舉期間提供高達 100 mA 電流
- 枚舉期間提供高達 500 mA 電流，用于通過(guò)數據傳輸線(xiàn)充電
- 充電下游端口 (CDP)：
- 枚舉期間提供高達 100 mA 電流
- 提供高達 1.5A 電流，用于通過(guò)數據傳輸線(xiàn)充電
- 專(zhuān)用充電端口（DCP）：
- 稱(chēng)作墻上適配器充電模式
- 提供高達 1.5A 電流，用于非數據傳輸線(xiàn)充電
- 主端口關(guān)閉時(shí)充電。
除 USB-IF 電池充電規范以外，還有其他電池充電相關(guān)接口發(fā)展規劃。中國政府規定移動(dòng)電話(huà)必須使用微型USB接口充電。這被稱(chēng)作中國電信模式（YD/T 1591-2009 標準），因為它與電流充電有關(guān)。出臺該規定的目的是讓手機提供商不用為每種手機都配備一種新的充電器（使用專(zhuān)用接口）。規定并未要求必須使用標準的 USB 線(xiàn)充電，它要求手機使用 USB 接口的 VBUS 線(xiàn)路進(jìn)行充電。它是一種墻上適配器，在連線(xiàn)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，內容基本與中國規定相同，同樣要求手機使用微型USB接口充電。最后，我們來(lái)說(shuō)一說(shuō)蘋(píng)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(dòng) (OTG) USB，并非真移動(dòng)……
2007 年，USB 2.0 規范的OTG USB附件相對較新，還無(wú)從判斷什么樣的產(chǎn)品會(huì )采用這種面向便攜式設備的標準（正如其名稱(chēng)所示）。自那以后，很少有設備會(huì )采用 OTG。
但是，之后又發(fā)布了一種新版的規范，它定義了一個(gè)新“類(lèi)別”設備，規范將其定義為嵌入式主機 (EH)。EH 產(chǎn)品本質(zhì)上是一種即想作USB主機又想作 USB 外圍設備的設備，但針對的卻是獨立總線(xiàn)/應用。EH設備可以有一個(gè)單獨 B 型接口（或者 A 插頭的附屬線(xiàn)），以讓其作為標準 USB 主機的外圍設備。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 外圍設備。
它的目的是讓兩條總線(xiàn)完全相互獨立，以服務(wù)于兩種不同的用途/應用。相比根據規范可以擁有一個(gè)單獨微型 A/B 插頭（具體取決于插入連續線(xiàn)的哪一端）的 OTG 設備，其將決定產(chǎn)品是處在主機模式下還是外圍設備模式下，但在任何時(shí)候都只有一條單獨 USB 總線(xiàn)有效。
一種可能的嵌入式主機產(chǎn)品例子是通過(guò)其外圍總線(xiàn)連接至 PC 的打印機，但它同時(shí)也可以在 A 接口插入連接一部數碼相機或者一個(gè)閃存驅動(dòng)器，用于直接打印。第二個(gè)例子是通過(guò)外圍接口將數碼相框連接至 PC 以加載圖片，或者允許插入閃存驅動(dòng)器進(jìn)行下載操作。與 USB OTG 類(lèi)似，由于 EH 設備可能無(wú)法為連接到其主機總線(xiàn)的未識別外圍設備加載驅動(dòng)程序，因此它們對其目標外圍設備列表 (TPL) 進(jìn)行了定義。
認證無(wú)線(xiàn) USB 是個(gè)好主意，但是…?
就 OTG 而言，認證無(wú)線(xiàn) USB 最近才進(jìn)入這個(gè)開(kāi)始于 2007 年的市場(chǎng)。在這期間，該版本的 USB 在市場(chǎng)中幾乎沒(méi)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(wú)線(xiàn) USB 產(chǎn)品，您會(huì )找到共計 125 種認證產(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(xiàn) USB 連接的關(guān)鍵好處之一——為便攜式設備充電。如前所述，這種特性并非原始 USB 2.0 規范的組成部分，僅在無(wú)線(xiàn) USB 規范發(fā)布以后才真正成形。
超高速 USB 更新
USB 3.0規范于 2008 年 11 月向公眾發(fā)布，讓人們能夠緊跟技術(shù)發(fā)展。規范推動(dòng)組織的目標是提供四個(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(guò)了 21 世紀初發(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(wèn)題是“什么樣的應用會(huì )關(guān)注這種接口帶來(lái)的好處呢？”在 2007 年發(fā)表的系列文章之第 2 部分結尾處，我認為人們需要超高速 USB 帶來(lái)的高數據傳輸吞吐量。需要傳輸的數據內容量和類(lèi)型日益增加。隨著(zhù)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(dòng)對于便攜式設備大存儲容量需求的增長(cháng)，終端用戶(hù)迫切需要有一條非常高速的數據傳輸通道，以將這些內容從便攜式設備傳輸到某個(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。
除這些便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫療和控制應用方面的發(fā)展，也希望能夠將大量數據傳輸至某個(gè)處理單元中，以實(shí)現實(shí)時(shí)響應/控制。在消費類(lèi)產(chǎn)品細分市場(chǎng)以外，用戶(hù)也已采用超高速 USB，圖像采集、機器視覺(jué)和數據采集便是例證。
除這些便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫療和控制應用方面的發(fā)展，也希望能夠將大量數據傳輸至某個(gè)處理單元中，以實(shí)現實(shí)時(shí)響應/控制。在消費類(lèi)產(chǎn)品細分市場(chǎng)以外，用戶(hù)也已采用超高速 USB，圖像采集、機器視覺(jué)和數據采集便是例證。
在 USB 2.0 中，事務(wù)處理為廣播型。這就意味著(zhù)所有下游端口都必須發(fā)送相同的信息，而與預定目標無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，所有下游端口和外圍設備都要消耗功率來(lái)確定數據是否針對它發(fā)送。使用定向傳輸以后，只有外圍設備所連接的主下游端口（以及映射目標的任何中間下游集線(xiàn)器端口）會(huì )消耗功率。
另外，接收數據時(shí)只有目標外圍設備必須消耗功率。第二個(gè)因素是，當不主動(dòng)發(fā)送或者接收數據傳輸時(shí)，設備可以進(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備輪詢(xún)。這有助于在提高總線(xiàn)利用效率的同時(shí)，降低 USB總線(xiàn)的總功率消耗。
Thunderbolt™ 如何影響 USB？
很明顯，Thunderbolt™ 技術(shù) (TBT) 是當下非常新的一種技術(shù)，隨著(zhù)時(shí)間的推移它的結果如何還有待觀(guān)察。如果您不熟悉 TBT，那么我推薦您到英特爾 Thunderbolt 社區詳細了解一下。它的基本概念是把 DisplayPort (DP) 和 PCI-Express (PCIe) 都安裝到主機系統中，對它們進(jìn)行集成，然后通過(guò)一條單獨連線(xiàn)發(fā)送經(jīng)過(guò)組合的數據。請參見(jiàn)圖 1。
圖 1 PC 系統 Thunderbolt™ 技術(shù)實(shí)現例子
外圍系統根據要求獲取 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(lái)說(shuō)，TBT 通過(guò)一個(gè)單獨的低成本連線(xiàn)/接口系統，不斷擴展連接外圍設備的內部 PC I/O 架構。這樣，廣大系統設計人員便可以極具創(chuàng )新地進(jìn)行便攜式計算平臺的人機工程學(xué)和小型化設計。通過(guò)同時(shí)提供數據（PCIe）和視頻（DP），便可在外圍設備中實(shí)現一種“內置 PC”環(huán)境。
用戶(hù)使用桌面電腦時(shí)，仍然可以享受到全功能使用體驗。一個(gè) TBT 擴展槽可以實(shí)現所有 I/O，例如：我們常用的 USB、eSATA 和閃存讀卡器等。我認為 TBT 和 USB 應為互補。當然，作為 PC 系統的重要接口，USB 不會(huì )就此消失——它的使用實(shí)在是太普遍了。自己?jiǎn)?wèn)自己兩個(gè)問(wèn)題：
- 有人會(huì )付錢(qián)購買(mǎi)一個(gè) 10 Gbps SerDes 接口的鼠標/鍵盤(pán)/游戲操縱桿嗎？
- 我會(huì )把閃存驅動(dòng)器插到哪里呢？
得到您的答案以后，再結合前面所討論的使用 USB 接口為手機充電的內容，我便無(wú)法想象在不遠的未來(lái)，是否能夠徹底將 USB 從便攜式計算平臺和擴展接口環(huán)境去除。
新 USB-IF 發(fā)展規劃
2011 年，USB-IF 推出了兩項新的發(fā)展規劃，旨在進(jìn)一步增強消費者的 USB 使用體驗。
第一項規劃是組建工作組，制定一種新的供電規范。目的是對 USB 連線(xiàn)中 VBUS 線(xiàn)路新的使用情況進(jìn)行定義。這種新的規范還可能會(huì )增加接口的最大功率，從而向一些新的潛在總線(xiàn)供電外圍設備開(kāi)放。
制定這種新的供電規范，旨在補充現有電池充電規范，并向后兼容現有 USB 2.0 和 USB 3.0 主機、集線(xiàn)器和外圍設備接口（這一點(diǎn)與所有 USB 發(fā)展計劃一樣）。USB 供電預計將具有的一些重要特性包括：
- 兼容現有 USB 2.0 和 USB 3.0 設備、系統、連線(xiàn)和接口
- 通過(guò)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 100W 功率
- 連線(xiàn)任意一端可為電源，實(shí)現利用墻式電源供電外圍設備的系統充電
第二項發(fā)展規劃是發(fā)布新的音頻/視頻設備類(lèi)別規范。同所有設備類(lèi)別規范一樣，其目的是定義一整套公共軟件指令和硬件設置，以在所有平臺之間實(shí)現通用，而與設備的制造廠(chǎng)商無(wú)關(guān)。制定這一規范，旨在為標準 USB 連接使用定義一種簡(jiǎn)單的方法，以將音頻和視頻從一些新型大容量便攜式消費類(lèi)設備（例如：電話(huà)、照相機等）移動(dòng)到各種顯示設備，包括投影儀、大尺寸高清顯示器和電視機等。
結論
本文討論了USB的最新市場(chǎng)發(fā)展情況，簡(jiǎn)單介紹了USB 3.0 規范，探討了 Thunderbolt™ 技術(shù)以及它和 USB 3.0 未來(lái)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)展規劃，它們將不斷提高消費者的用戶(hù)體驗，并將為我們所接受，最終成為我們日常生活的一部分。對于我來(lái)說(shuō)，現實(shí)問(wèn)題是：
- 下一個(gè)速度節點(diǎn)在哪里？
- 會(huì )出現光纖 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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