本文將討論在過去五年時間里 USB 接口在市場中的應用情況，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，它定義了三個速度節(jié)點：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)人機接口設備，例如：鍵盤和鼠標。全速 USB 規(guī)范仍然用于許多工業(yè)、醫(yī)療和工業(yè)控制應用。最后，高速規(guī)范是大多數(shù)新型大內(nèi)容消費類產(chǎn)品的主要接口，例如：便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機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，因為用戶需要存儲更多的內(nèi)容，想要獲得更好的內(nèi)容同步轉(zhuǎn)發(fā)體驗，我們將在稍后詳細介紹。
五年來，USB 市場發(fā)生的第二個（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)布了一個電池充電附加規(guī)范，目的是在使用一條標準的USB 連線為設備充電時，提高用戶的使用體驗。電池充電 (BC) 規(guī)范定義了設備協(xié)商獲得額外功率的機制，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，用于通過數(shù)據(jù)傳輸線充電
- 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 1.5A 電流，用于非數(shù)據(jù)傳輸線充電
- 主端口關閉時充電。
除 USB-IF 電池充電規(guī)范以外，還有其他電池充電相關接口發(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 標準），因為它與電流充電有關。出臺該規(guī)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（使用專用接口）。規(guī)定并未要求必須使用標準的 USB 線充電，它要求手機使用 USB 接口的 VBUS 線路進行充電。它是一種墻上適配器，在連線一端有一個微型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備的標準（正如其名稱所示）。自那以后，很少有設備會采用 OTG。
但是，之后又發(fā)布了一種新版的規(guī)范，它定義了一個新“類別”設備，規(guī)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/應用。EH設備可以有一個單獨 B 型接口（或者 A 插頭的附屬線），以讓其作為標準 USB 主機的外圍設備。它還可以有一個或者多個A插頭，用于服務連接的 USB 外圍設備。
它的目的是讓兩條總線完全相互獨立，以服務于兩種不同的用途/應用。相比根據(jù)規(guī)范可以擁有一個單獨微型 A/B 插頭（具體取決于插入連續(xù)線的哪一端）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，但在任何時候都只有一條單獨 USB 總線有效。
一種可能的嵌入式主機產(chǎn)品例子是通過其外圍總線連接至 PC 的打印機，但它同時也可以在 A 接口插入連接一部數(shù)碼相機或者一個閃存驅(qū)動器，用于直接打印。第二個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)動器進行下載操作。與 USB OTG 類似，由于 EH 設備可能無法為連接到其主機總線的未識別外圍設備加載驅(qū)動程序，因此它們對其目標外圍設備列表 (TPL) 進行了定義。
認證無線 USB 是個好主意，但是…?
就 OTG 而言，認證無線 USB 最近才進入這個開始于 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 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，而且搜索時間僅為其一半。我相信，這才是真實的情況，那種名義上的好主意遺忘了有線 USB 連接的關鍵好處之一——為便攜式設備充電。如前所述，這種特性并非原始 USB 2.0 規(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發(fā)展。規(guī)范推動組織的目標是提供四個關鍵的超高速 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 上的采用速度超過了 21 世紀初發(fā)布 USB 2.0 時的采用速度，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“什么樣的應用會關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 部分結尾處，我認為人們需要超高速 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)容從便攜式設備傳輸?shù)侥硞�集中存儲地點，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產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫(yī)療和控制應用方面的發(fā)展，也希望能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)傳輸至某個處理單元中，以實現(xiàn)實時響應/控制。在消費類產(chǎn)品細分市場以外，用戶也已采用超高速 USB，圖像采集、機器視覺和數(shù)據(jù)采集便是例證。
除這些便攜式消費類產(chǎn)品以外，工業(yè)、醫(yī)療和控制應用方面的發(fā)展，也希望能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)傳輸至某個處理單元中，以實現(xiàn)實時響應/控制。在消費類產(chǎn)品細分市場以外，用戶也已采用超高速 USB，圖像采集、機器視覺和數(shù)據(jù)采集便是例證。
在 USB 2.0 中，事務處理為廣播型。這就意味著所有下游端口都必須發(fā)送相同的信息，而與預定目標無關。這就是說，所有下游端口和外圍設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器端口）會消耗功率。
另外，接收數(shù)據(jù)時只有目標外圍設備必須消耗功率。第二個因素是，當不主動發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)傳輸時，設備可以進入中間閑置（低功耗）狀態(tài)。最后一個重要變化是不再需要使用設備輪詢。這有助于在提高總線利用效率的同時，降低 USB總線的總功率消耗。
Thunderbolt™ 如何影響 USB？
很明顯，Thunderbolt™ 技術 (TBT) 是當下非常新的一種技術，隨著時間的推移它的結果如何還有待觀察。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(tǒng)中，對它們進行集成，然后通過一條單獨連線發(fā)送經(jīng)過組合的數(shù)據(jù)。請參見圖 1。
圖 1 PC 系統(tǒng) Thunderbolt™ 技術實現(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 通過一個單獨的低成本連線/接口系統(tǒng)，不斷擴展連接外圍設備的內(nèi)部 PC I/O 架構。這樣，廣大系統(tǒng)設計人員便可以極具創(chuàng)新地進行便攜式計算平臺的人機工程學和小型化設計。通過同時提供數(shù)據(jù)（PCIe）和視頻（DP），便可在外圍設備中實現(xiàn)一種“內(nèi)置 PC”環(huán)境。
用戶使用桌面電腦時，仍然可以享受到全功能使用體驗。一個 TBT 擴展槽可以實現(xiàn)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(tǒng)的重要接口，USB 不會就此消失——它的使用實在是太普遍了。自己問自己兩個問題：
- 有人會付錢購買一個 10 Gbps SerDes 接口的鼠標/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，再結合前面所討論的使用 USB 接口為手機充電的內(nèi)容，我便無法想象在不遠的未來，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(guī)劃
2011 年，USB-IF 推出了兩項新的發(fā)展規(guī)劃，旨在進一步增強消費者的 USB 使用體驗。
第一項規(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備開放。
制定這種新的供電規(guī)范，旨在補充現(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、集線器和外圍設備接口（這一點與所有 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(xiàn)有 USB 2.0 和 USB 3.0 設備、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 100W 功率
- 連線任意一端可為電源，實現(xiàn)利用墻式電源供電外圍設備的系統(tǒng)充電
第二項發(fā)展規(guī)劃是發(fā)布新的音頻/視頻設備類別規(guī)范。同所有設備類別規(guī)范一樣，其目的是定義一整套公共軟件指令和硬件設置，以在所有平臺之間實現(xiàn)通用，而與設備的制造廠商無關。制定這一規(guī)范，旨在為標準 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類設備（例如：電話、照相機等）移動到各種顯示設備，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的最新市場發(fā)展情況，簡單介紹了USB 3.0 規(guī)范，探討了 Thunderbolt™ 技術以及它和 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者的用戶體驗，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)實問題是：
- 下一個速度節(jié)點在哪里？
- 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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