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USB2.0的發展動態與遠景
 

【作者: 吳秉思】   2000年08月01日 星期二

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多年來Wintel重視核心技術的程度要遠大於界面,基本上現在PC界面仍沿襲1984年的PC AT架構,缺乏關鍵性的高速周邊應用,因陋就簡的狀態仍可以持續到九○年代中期。PC能夠長期不在界面上做改良,可能的因素是應用方式集中在低速產品;PC主要的外部輸出入周邊設備,如鍵盤、滑鼠等都是低速的裝置,而掃描器和監視器限於解析度未提昇至相當程度,循序和並行串接埠都可以應付。在內部的周邊裝置方面,CD/DVD-ROM/RW和HDD屬於高速裝置,可以逕利用PCI之內部擴張埠增設IDE(ATA)界面來解決;為了音效卡效能的提昇,可把ISA廢掉,改為PCI匯流排,而不能負荷3D繪圖的PCI則改由AGP來解決。亦即不管是用折衷或是慢慢轉變的方法,都毋需大興土木來獲得解決,如此可以儘量使PC的架構不致因過大的變化導致成本的突然增加,也易使PC周邊產品製造商有充份的時間因應。


九○年代中期Wintel始重視新界面引進

然而這種以儘量維持原有系統架構的作法在九○年代中期以後逐漸受到挑戰,首先是周邊設備的質(解析度和資料傳輸速度等)和量(周邊設備數目增多)同時間提昇,傳統的界面和連接方式愈來愈無法切合消費者使用的方便,如外接的CD-RW、數位相機和ADSL/Cable Modem的機會增多,消費者需費盡九牛二虎之力才能解決界面連接的間題。


當時正值PC開始轉攻家庭市場,也是資訊家電概念初次被倡導之時,不具親和力界面的PC,勢必無法迎戰家電資訊化的產品,於是Wintel不得不積極致力PC人機界面的改善,Microsoft在Windows 95中開始採用能自動辨識周邊設備的驅動軟體「隨插隨用(Plug & Play)」,而Intel也開始主張USB界面的引進,甚至於Microsoft也在WinHEC 98中鼓勵更高速的IEEE 1394之採納,為以後任意周邊設備模組化的Device Bay而舖路。


可惜Wintel步調不一致,缺乏競爭對手的Microsoft,對USB和1394驅動軟體的支援遲延;Intel一方面苦於和AMD交戰,另一方面又力排低價PC浪潮,企圖穩豋核心事業CPU的命脈,無心在USB的推動上,於是上述的PC界面革命雷聲大,雨點小,Wintel仍難跳脫傳統以核心為主軸的思考窠臼。


九○年代末期Intel積極布署USB2.0

唯Wintel近來逐漸意識到PC在新界面的舖陳上不夠積極所導致的負面作用。既不願受1394束縛,也不希望見到1394的壯大而依賴PC漸減的情況,Intel終使出殺手戩,於1999年起強力推動USB2.0,並如期在WinHEC 2000中公布1.0版。而Microsoft也承諾在2000年底開始在新版的Windows上配備USB2.0的驅動軟體,再度展現昔日Winetl合作無間的精神。


雖然USB2.0在規格規範和軟體支援上已獲得初步的解決,但PC及其周邊業者尚需一般前置作業時間完成設計,故恐難趕在2000年底的耶誕假期中大量出貨;比較適合的時機是在2001年PC晶片組開始支援USB2.0之後,故業界估計2001年下半年USB2.0才會逐漸普及。


由於1394已經廣為家電業者採用(表一),Intel不可能改變此一事實,遂並不主張排斥1394於PC之外,而是認為USB2.0和1394兩者可以共存在PC上,只是不特別支援1394;亦即若要在PC平台上應用數位消費電子產品,勢必得再加上1394界面。



《表一 IEEE 1394在市場的斬獲與預測》
《表一 IEEE 1394在市場的斬獲與預測》

USB2.0和1394目標都是400 Mbps以上的傳輸速度,屬於高速平行串接埠界面,連接器的形狀甚為類似。Intel捨1394就USB1.X再行改良至USB2.0的動機,莫過於連接1394的所有裝置需經過PC控制,使Intel有喪失PC為核心所掌握的對周邊設備的控制權之慮外,兩種界面並存將會導致IC、軟體和周邊設備開發效率的低落,並使消費者無所適從亦是當中要素之一。所以Intel比照PCI匯流排和AGP集積於晶片組界面的方式,同樣支援USB2.0,藉由過去晶片組市場佔有率的力量,發揮低價和彼此相容的優點,得以迅速推廣USB2.0。


1394不利Intel發展

其實Intel在1394的立場上歷經戲劇性的波折。Intel本無意在1394上著墨,直到1996年Microsoft所訂定的PC97規格上要求1394為建議內入的規格,迫使Intel在1997年表態,在2000年開始將1394界面整合至晶片組中;當年六月Microsoft更和Compaq策定使用1394和USB的周邊設備連結方法「Device Bay」,使得1394強入PC的態勢甚明。不料家電業者對1394的期待和Intel有所衝突,前者希望1394的速度至少要提昇至1.6Gbps方能符合未來的需要,如此將使1394的規格復雜化,不利Intel在短期內引進向來是講究規格單一化的PC市場上;另一方面家電業者在1394的產品開發進度超過Intel掛帥的PC業界,大有以外藩包圍中原之勢,自難令Intel釋懷。更令Intel不滿的是1394專利權最大的擁有者Apple在1999年二月要求每一個1394埠徵收1美元權利金;後為平息眾怒,遂由Apple、Compaq、Philips、東芝、Sony和松下合組一授權管理公司,以一元件徵收0.25美元方式解決。不願受制於人的Intel索性自立門戶,另行推動USB2.0(表二),以擺脫上述種種枷銷。



《表二 USB2.0主要規格》
《表二 USB2.0主要規格》

2001年Intel新南橋支援USB2.0

USB2.0鎖定的應用產品較不傾向已經逐漸普及化的數位消費電子產品,而是既有的PC傳統周邊設備,除了低速滑鼠及鍵盤外,將延伸至高速的儲存裝置和數位Modem等。基於價格上和實用上的考量,以高速產品使用USB2.0較有實際的意義,如DVD/CD-ROM在高速回轉時所讀數的資料,需向Host端傳送,高速界面是必要的。現在的32倍速CD-ROM和4倍速DVD-ROM讀出速度達37.5Mbps以上,已非USB1.1的12Mbps所能承受,USB2.0自是必要的。上述的儲存裝量,外加高階的掃描器和印表機開始被採用,勢必需要USB2.0,其原USB1.1和SCSI-2界面得被替換。Intel計畫在2001年下半年的新南橋「ICH3」(開發名)整合USB2.0主控制器(host Controller),電力供應和連接器規格都不予變更,便需額外增加的成本降至最低,較加裝1394界面的成本來得更低(表三)。



《表三 USB2.0的商品化進展》
《表三 USB2.0的商品化進展》

兩顆主從USB2.0晶片比兩顆1394界面IC便宜

實現USB2.0除了Microsoft的驅動程式支援外,以IC的提供最為重要;業界在2000年夏時將會先推出FPGA供測試用,2000年秋再出貨樣品。USB2.0的IC大致分為三種,一是放在PC主機內部的主控制器(表四),二是用於如掃描器和印表機等周邊設備的界面IC(表五),以及界於PC和周邊設備間的Hub IC。目前率先進行測試和推出樣品的為主控制器,最慢的恐是Hub IC,主因是當同時能夠支援USB2.0和USB1.1,電路的構造要複雜許多,並得與其他兩種IC所在的PC和周邊設備間的相互運作做測試。



《表四 USB2.0主控制器開發業者》
《表四 USB2.0主控制器開發業者》

《表五 USB2.0周邊晶片開發業者》
《表五 USB2.0周邊晶片開發業者》

USB2.0的主要控制是放在PC上,不像1394並不採用主從架構,故USB2.0主控制器的電路要比1394的界面IC來得複雜,製造成本較高;但在Intel將其整合至南橋之後,相對的成本幾視而不見。至於周邊設備的USB2.0界面IC,由於主要的管理機能皆集中在主控制器,電路可以大幅簡化。遂依照IC業界的說法,USB2.0一顆主控制器加上一顆周邊設備界面IC的成本,要比兩顆1394界面IC來得低,這是Intel慣來利用PC為軸心處理平台揮發IC成本低減之又一例,諸如Modem和Ethernet亦是如此。


Hub IC難度最高,商品化時間晚

Intel在南橋上支援USB2.0,但並不考慮額外加入USB1.1的控制電路,而是讓Hub的控制電路同時支援USB2.0和1.1,得使具備USB1.1界面的周邊設備亦能掛上USB2.0的Hub。畢竟Intel的南橋和Hub的控制器推出時間較晚,Intel的南橋可以迴避USB1.1的支援問題,改由Hub端解決,但是2000年下半年到2001年間推出的主控制器則必須同時支援USB1.1和USB2.0,達到回溯相容USB1.1的作法,否則只要Hub尚未上市,既有USB1.1的周邊設備就無法連接到備有USB2.0的PC上運作。目前在主控制器上最積極的首推NEC,早在2000年四月就推出樣品,並預定在九月量產;該產品已內藏實體層,並具備PCI匯流排界面,可以用擴充埠插入PCI插槽的方式解決。大體而言,USB2.0的主控制器和USB1.1並無兩樣,直接內藏實體層而成為單一晶片。


周邊設備IC皆不推出單晶片

在周邊設備用的USB2.0界面IC方面,則皆不傾向使用單晶片,主因是所支援的周邊設備多樣化,難以一次整合。2000年下半年的周邊界面IC將優先配備既有控制電路,如IDE/ATAPI界面電路和各直接連接到控制器的泛用匯流排之界面電路;利用現有的控制電路開發,可以減少開發的時間。USB晶片的最大供應商Cypress,以及NEC、In-system Design準備推出的周邊設備用IC即選定CD/DVD-ROM和HDD等儲存設備現共用的IDE/ATAPI界面電路予以融合,遂可在不必大幅度變動的情況下完成USB2.0的新晶片設計。


在WinHEC 2000中大出風頭的NetChip,則是備有泛用的匯流排和現有周邊設備的控制器外部匯流排連接。其他業者是和既有的網路及高速界面做變換連結,如Innovative Semi是同時也另支援1394;而Kawasaki LSI則是另對應Ethernet界面。總之雖只是周邊設備界面IC,各業者嘗試以差異化和多元化來開發新產品。


台灣業界可望在2001年下半年大舉跨入

不過初期的周邊設備用界面IC,因實體層動作上的測試需要相當時間的驗證,不宜馬上做成單晶片,使成本不易抑低;現在USB2.0的實體層IC價格在2~5美元間,整合成單晶片後的實體層電路部份的成本不到1美元。NetChip考慮在2000年第四季亦推出單晶片的產品,其他業者大概在2001年後提出相同的解決方案;台灣業界預計在2000年下半年後,配合Intel支援USB2.0的新南橋,方會大舉進入。


在時機上,周邊設備的支援漸趨成熟,台灣業界可逕以單晶片切入,另一方面又可切入難度較高的Hub IC。相對於缺乏數位消費電子產品通路而在1394力有未逮的情況,挾帶本土龐大周邊設備製造的有利條件,台灣業界在USB2.0的商機將樂觀不少。


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