USB 2.0技術全面剖析

USB2.0技術全面剖析（技術篇）橫空出世－USB接口的誕生（發展史）引言：不久之前，個人電腦的外部接口規格十分繁華，例如鍵盤要接AT口或PS/2的接口，滑鼠要接COM口或PS/2接口，Modem要接另一個COM口、印表機要接ParallelPort(並口)，而搖桿則要跟MIDI裝置共搶Game/MIDI口，每個外設都是這樣單獨地與電腦連接。如果各位繞到電腦背後看看，一定可以看到一堆慘不忍睹的糾結現象，這正是USB想解決的一個問題。除了線路紊亂與裝設模糊混淆外，這些線路都是不可以隨意插拔的，必須在開機前裝好才能正常使用。如果在電腦工作期間插上或拔出，雖然有時電腦還是可以繼續工作，但大多數時候電腦會停止響應，或是插入的裝置無法工作，甚至死機，嚴重的還會燒壞主板接口。USB就是要解決上述這些問題，它是一種新規格的外接串聯口，提出該規格的廠商希望用USB來取代現有種種的外接設備接口。它還具備連接單一化、軟體自動偵測以及熱插拔的功能，也就是說，在電腦不關機的情況下，就可以將設備連接到電腦上或是將設備從電腦上拔下來拿走。在作業系統的支援下，還可以不用干預自動裝設驅動程式，可以說是做到了真正的即插即用。幾乎三年內生產的主板都有2個或以上的USB標準接口，支援USB的外設越來越多，像USB鍵盤和USB滑鼠、USB數據機、USB音箱、USB印表機、USB掃描器、USB遊戲桿、USBHub、USB顯示器、USB數碼相機、USB攝像頭、USB硬碟等等設備。什麼是USB？USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是通用串行總線。它是一種應用在PC領域的新型接口技術上面提到的外設接口沒有統一的標準，USB就將這些接口統一起來，使用一個4針插頭作為標準插頭。透過這個插頭，採用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來，並且不會損失帶寬。早在1995年，就已經有PC機帶有USB接口了，但由於缺乏軟體及硬體設備的支援，這些PC機的USB接口都閒置未用。1998年後，隨著微軟在Windows98中內置了對USB接口的支援模組，加上USB設備的日漸增多，USB接口才逐步走進了實用階段。這幾年，隨著大量支援USB的個人電腦的普及，USB成為PC的標準接口已是大勢所趨。在主機(host)端，最新推出的PC機幾乎100%支援USB；而在外設(device)端，使用USB接口的設備也與日俱增，例如數碼相機、掃描器、遊戲桿、磁帶和軟驅、圖像設備、印表機、鍵盤、滑鼠等等。USB的誕生：USB，全稱為UniversalSerialBus（通用串行總線），是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC以及NorthernTelecom等公司於1994年11月共同提出的，這跟PCI、AGP、AMR等單獨由Intel提出的硬體標準不同。有些廠商指出：PCI、AGP等屬於Intel單獨提出的硬體標準，所以Intel的晶片組可以充分支援這些標準，而其他廠家依據公佈的規格文件標準才能設計出晶片，因此處於劣勢，這個道理是顯而易見的。而USB標準是多家公司一同提出的，就不會發生上述某一家獨佔技術優勢的情況。1994年初，Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC以及NorthernTelecom等公司成立了USB論壇，初步制定了USB規範。然後花了近兩年的時間形成了統一的意見，於1995年11月正式制定了USB0.9通用串行總線規範。1997年，真正符合USB技術標準的外設才出現。符合USB1.1規範的標誌USB技術的發展:從1994年11月11日發表了USB0.7版本以後，USB版本經歷了六年的發展，到現在已經發展到了2.0的版本。不過直到近期，它才得到廣泛的普及應用。早期的USB版本，在推出時普遍不遭到重視。其最大的原因是：當時的主板結構是以Baby-AT板為主，USB功能接口在許多主板上都是一種可選擇的功能，有些主板製造商在主板上提供了4X2或5X2的USB針腳接口，而更多的則為了節省成本，連USB針腳接口都省掉了。另外，在BIOS固件方面也缺乏支援當時很多主板都是只提供有USB連接針腳接口，而主板的BIOS沒有真正支援USB。這樣，很多用戶為了使用USB，只有透過陞級主板BIOS的方法，將主板BIOS刷新到能支援USB功能的BIOS才行。這種情形一直延續到ATX主板結構的誕生。不過一開始的ATX主板在支援USB的方面還不是很好。因為一般ATX的設備連接口都設計成一層的高度，其所能使用的接口空間都給傳統的串行通訊接口和LPT印表機佔用了，根本沒有餘地留給USB接口，所以當時如果要想使用USB接口的話，還得使用USB轉接卡，透過連線與主板上的USB針腳接口相連才能得以實現。不過後來ATX主板的BackPanel設計成了二層，終於使USB接口在主板上有了安身立足之處，無須再透過外接USB轉接卡了。符合USB2.0規範的標誌1999年初在Intel的開發者論壇大會上，與會者介紹了USB2.0規範，該規範的支援者除了原有的Intel、Microsoft和NEC等成員外，還有惠普、朗訊和飛利浦三個新成員。USB2.0向下相容USB1.1，傳輸率將達到480Mbps，還支援寬帶數字攝像設備及下一代掃描器、印表機及存儲設備。USB全規範詳細分析（技術篇）USB規格設計上面說的那些只是很表面的東西，接下來的就是技術知識深一點的了，大家做好心理準備喔。USB規格的規範化建立USB規格的廠商們，共同設立了一個稱為USB應用者論壇（USBImplementersForumInc，USB-IF）的非營利組織。USB-IF是一個技術支援組織，也是接受各界對USB研發與應用建議的論壇。這個論壇促進了高品質並具相容性USB設備的研發，以及透過規格測試的產品的推廣。符合USB1.1規範的標誌符合USB2.0規範的標誌和其它業界規格（像是IEEE1394、DTS、WiFi、Dolby或是DVD等）一樣，USB1.0和USB2.0都有正式的標示。廠商將這些標示印在產品與包裝上，以代表他們的產品是遵照這些規格設計的。這些標示確保了相容性，並且代表產品經過測試。產品上高速USB2.0規格的標示，代表它能夠與其它同樣有高速USB2.0規格標示的外設一起正常使用。如果一項產品沒有這項標示，卻還是聲稱具有相容性，那就不能保證能和其它USB2.0一起使用了。為了顧及到相容性，建議您只購買透過認證的USB設備。一家廠商的產品要能夠標上高速USB2.0規格的標示，那得先成為USB-IF的付費會員（年費2500美元），而且該產品也需要透過由USB-IF所制定的全速與低速測試程式才行。測試的目的，是要來檢驗在全速與低速模式下，這些準備出貨的產品的USB功能是否能夠正常運作。詳細的測試步驟分成三大項，每一大項的產品都需要分別透過屬於該大項的測試步驟.接口卡、主板和電腦系統o電源提供測試（PowerProvidertesting）o傳出信號品質（DownstreamSignalQuality）o互通性（Interoperability）全速與低速集線器（不含高速支援）o電源提供測試（PowerProvidertesting）o傳出信號品質（DownstreamSignalQuality）o回傳信號品質（UpstreamSignalQuality）o設備結構測試（DeviceFrameworkTesting）o互通性（Interoperability）o平均電流消費（AverageCurrentConsumption）全速與低速外設o回傳信號品質（UpstreamSignalQuality）o設備結構測試（DeviceFrameworkTesting）o互通性（Interoperability）o平均電流消費（AverageCurrentConsumption）在設計USB2.0這樣高速的設備時，設計者尤其要注意到設備封裝（DevicePackaging）、電路板設計（BoardLayout）、機身接地（ChassisGrounding）、布線設計（TraceLayout），防治電磁干擾（EMIRemediation）、以及資料信號衰減噪聲（DataSignalAttenuation/Jitter）等問題。USBC&C基本要求USBC&C相關特性要求規定於USB規格第6章，包括電氣、機械與環境三部份，完整測試分成8群組(group)，詳細測試項目如表1所示。USB連接器目前公告的有A-type、B-type、Mini-B三種；線纜組有可分離式(Detachable)與固定式(Captivecable)，高速/全速可分離式線纜組只有AtoB、AtoMinI-B、AtoOpen三種連接型態，低速線纜組基本上不承認可分離式。使用之線纜(Rawcable)基本上要UL2725或CM或同級以上認證。USBC&C如何認證?USB-IF中設有符合性委員會(Compliancecommittee)主導產品認證事務，經認定符合USB規格的產品會登錄於USB網站中會員區的合格整合者名單(ApprovedIntegratorsList,AIL)，合格廠商才會被授權使用USBLOGO，其中AIL是證明產品合格唯一合法管道。符合性認證分裝備(device)與連接器/線纜組(C&C)兩部份，前者可透過核可獨立實驗室或插拔大會進行認證測試，後者則必須透過核可獨立實驗室進行認證測試。USBC&C認證理論上採用自願性質，但由於USB2.0強調高速傳輸，為避免數據傳輸環境，因連接器、線纜組品質無法配合，造成系統無法順暢運作，USB-IF於2.0版起實施新的認證程式。由於裝備製造廠被要求使用合格C&C才能透過裝備認證，而C&C製造、銷售廠唯有透過核可實驗室測試合格、出具報告，才能取得TID並登錄於AIL；唯有取得TID者才被授權使用USB2.0(高速USB)LOGO。ETC目前是USB認可三家C&C測試實驗室之一、也是美國本土外唯一一家；以下簡單說明透過ETC測試認證之程式(不同實驗室可能有差異)及流程。1.廠商基本要求-認證僅針對USB-IF會員送認證的企業必須是USBIF的會員:USB網站()下載表格、填妥數據連同費用(2500/year)寄USB-IF秘書處、完成註冊取得VID。2.委託USB-IF認可實驗室進行測試USB網站有合格實驗室數據檢送樣品及相關設計圖面填寫Checklist辦理委託---填工服委託單、簽署USB-IF要求之協議書、繳費3.進行測試---實驗室須依相關規範要求進行測試測試過程任何失敗會接獲ETC通知，要求變修改善4.測試完成ETC通知測試完成，相關文件確認及繳費(尾款)ETC在網站上登錄公司名稱、產品類別名稱和型號，得到TID號碼ETC整理並出具兩份測試報告，一份寄交委託者、一份連同測試樣品以快遞寄交USB-IF5.認證透過由USB-IF審查測試報告，產品登錄於AIL。USB-IF通知廠商，並寄空白USB高速LOGO使用協議書(廠商簽署後正式取得LOGO使用授權)USB-IF為確保產品之品質及合法廠商之權益，除每周電話會議檢討各項問題、定期召集實驗室面對面會議，亦加強進行市購抽測、樣品抽測，定期對實驗室稽核、舉辦實驗室比對，也對非法使用LOGO廠商採取法律行動。測試流程圖USB1.0/1.1/1.2規格清單速度高速12Mb/s;低速1.5Mb/s支援設備127個連線長度不超過5米電壓定額3.3V-5v(500mA)晶片組支援IntelVX/HX/TX及以後;SIS5595及以後;AliM1431;ViaMVP3系統支援Win95OSR2、MACOS/8、Linux3.0、BeOS目前普遍流行的USB規範是USB1.1，USB1.1標準接口傳輸速率為12Mbps。理論上可以支援127個設備，透過USBHUB（即USB擴展器）連接多個周邊設備，連接線纜的最大長度為5米，這對於一般設備還夠用。說