哪種 USB接口適用于您的應(yīng)用?(中)

　　通用串行總線 (USB) 外設(shè)接口已廣泛應(yīng)用于所有個人計算平臺及眾多工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施平臺。不過，與此同時，人們對適用于給定應(yīng)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(guī)范的發(fā)布，以及 Microsoft 操作系統(tǒng)為這一標(biāo)準(zhǔn)提供原生支持，使得 USB 主機接口在 PC 中快速普及，同時也使眾多外設(shè)由傳統(tǒng)接口，如串行 (RS-232)、PS-2(鼠標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)過渡。

　　隨著 USB 2.0 規(guī)范的發(fā)布，使高速連接成為可能，USB 外設(shè)的數(shù)量出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，中、下部分將討論常見的應(yīng)用，并介紹給定應(yīng)用采用哪種 USB 標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)為 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 和 WUSB。在許多情況下，這些不同標(biāo)準(zhǔn)會使工程師和最終用戶產(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸速率：
　　
　　·1.5 Mbps 的低速 (LS)；

　　·12Mbps 的全速 (FS)；

　　·480Mbps 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(guī)范的補充，定義了新的設(shè)備類型。此外，還擴展了外設(shè)產(chǎn)品的功能，增加了有限的主機功能。OTG 設(shè)備能支持 USB 2.0 支持的所有速率。Certified WUSB 是最新的標(biāo)準(zhǔn)擴展版，定義了無線接口，將有線 USB 技術(shù)的高速和安全性與無線技術(shù)的易用性相結(jié)合。Certified WUSB 通過 WiMedia Alliance 開發(fā)的常見的 WiMedia MB-OFDM 超寬帶 (UWB) 無線電平臺來支持穩(wěn)健的高速無線連接，連接距離為 3 米時最高數(shù)據(jù)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(yōu)缺點。通過全面了解每種技術(shù)的成本、功耗及吞吐能力，有助于我們確定哪種標(biāo)準(zhǔn)最適合給定的應(yīng)用需求。

低速與高速 USB

　　低速 USB 的最大優(yōu)點就是低成本、低功耗。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為 1.5 Mbps 時，盡管收發(fā)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(shù)據(jù)吞吐能力不高。如果數(shù)據(jù)傳輸速率為 1.5 Mbps 的話，那么實際數(shù)據(jù)吞吐能力還不到 1 Mbps，因為 USB 規(guī)范本身還會有一些開銷。與之相對的高速 USB 數(shù)據(jù)規(guī)范，其數(shù)據(jù)吞吐能力很高，但同時也會導(dǎo)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(dāng)速率高達 480 Mbps 時，確保傳輸質(zhì)量就是一個很大的技術(shù)問題了。

　　全速 USB 填補了低速和高速之間的空白，其數(shù)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(biāo)準(zhǔn)有線 USB 進行比較。USB 規(guī)范最初的目的之一就是通過主機而不是外設(shè)完成大部分處理工作，從而實現(xiàn)低成本的外設(shè)連接方式。這就決定了 USB 以主機為中心的本質(zhì)，從而有助于大幅降低外設(shè)連接實施方案的成本。處理功能的成本主要由 PC 承擔(dān)，而不是由外接到總線的不同外設(shè)承擔(dān)。OTG 改變了這一機制，在標(biāo)準(zhǔn)的 USB 外設(shè)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(shè)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(shù)，還涉及到整個產(chǎn)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(yōu)勢在于，它能在沒有電腦的情況下實現(xiàn) USB 設(shè)備的數(shù)據(jù)共享。我們在稍后討論有關(guān)應(yīng)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(yōu)勢在于易用性，無需線纜即可在電腦與外設(shè)間進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，在不用 USB 線纜的情況下，您還能直接為許多外設(shè)供電，所需設(shè)備可通過標(biāo)準(zhǔn)的 AC 適配器或電池自供電。

人機接口(或輸入)設(shè)備

　　人機接口(或輸入)設(shè)備 (HID) 應(yīng)用的實例包括鼠標(biāo)、跟蹤球、鍵盤、游戲桿和游戲控制器等。通常，這些設(shè)備都采用中斷數(shù)據(jù)傳輸方式，并通過主機定期輪詢來確定其是否要向活動應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)數(shù)據(jù)輪詢的時間間隔通常為 8ms，可傳輸 32 位數(shù)據(jù)；鍵盤的輪詢間隔與鼠標(biāo)相同，可傳輸數(shù)據(jù)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(shù))輪詢間隔也是 8ms，每次請求發(fā)送 6 字節(jié)數(shù)據(jù)，這樣最大數(shù)據(jù)吞吐能力約為 8 Kbps (0.008 Mbps)，比低速傳輸速率 1.5 Mbps 的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的支持范圍。因此，HID 設(shè)備的帶寬消耗很低，近期還不會超出幾個 kbps 的范圍。這種應(yīng)用低速標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備有助于降低成本。

　　這種設(shè)備一般也不會支持主機功能，這是因為若添加主機功能，相應(yīng)地要提高處理功能，從而會增加成本，因此這種設(shè)備也不會成為全速 OTG 設(shè)備。這種設(shè)備非常適合作為支持 OTG 設(shè)備的外設(shè)，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(shù)字助理 (PDA) 或移動手持終端中鍵入內(nèi)容。不過在這種情況下，我們要考慮當(dāng)前 USB OTG 規(guī)范規(guī)定的 8 mA 電流能否滿足有關(guān)應(yīng)用的要求，是否需要采用電池。

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

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

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

　
圖 1  理想狀態(tài)下傳輸 1GB 數(shù)據(jù)所需的時間

　　USB 閃存驅(qū)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(yīng)用不太適合無線應(yīng)用。如果用電池供電，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(qū)動器能支持 OTG 會話功能的話，似乎還有些用，不過這也會增加成本，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(qū)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(qū)動器的供電需求。如果設(shè)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(shè)備都不是獨立的設(shè)備，而是具備某種消費娛樂功能的設(shè)備，例如 MP3 播放器、數(shù)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(shè)備。最終用戶只需走到辦公桌前，將設(shè)備放在 PC 邊上，由于眾多設(shè)備都采用非標(biāo)準(zhǔn)的 USB 連接器，因此立即就能實現(xiàn)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。