萬用串列匯流排（USB）為一種開放性架構的介面標準，1997年起被廣泛應用在PC主機板上，1998年所推出的iMac更僅搭載兩種I/O介面，即USB與乙太網路（Ethernet）。初版的USB規格（1.0與1.1）支援每秒最高1MB的傳輸速率，約等於每秒12Mb的位元傳輸率。而Windows 98則為第一套支援USB的作業系統，內建支援各種裝置的驅動程式，包括滑鼠、鍵盤與揚聲器等。由於看好UBS的發展，包括微軟（Microsoft）、英特爾（Intel）、飛利浦（Philips）、惠普（HP）、康柏（Compaq）、恩益禧（NEC）及朗訊（Lucent）等業界領導廠商，不約而同的加入USB 建置者論壇（USB-IF），積極參與USB技術規格的制定，並於2000年4月發表了USB 2.0規格版本，加入高速（high-speed）的傳輸技術規格，每秒可傳送480Mb的資料，比USB 1.1版本整整高出40倍。

Mass Storage為應用主流

適用USB 2.0的週邊裝置主要為硬碟、CD-RW燒錄機、DVD光碟機與快閃記憶卡等高容量儲存系統（Mass Storage）。多年來USB已為各種可攜式裝置提供一套標準傳輸介面，USB 2.0將近0.5Gb的速度標準，更是一舉突破了以往USB介面傳輸速度的瓶頸。現在，透過USB介面由電腦內部將檔案複製到儲存裝置上，速度遠高於兩部內接式儲存裝置透過UDMA介面複製檔案時的傳輸速度。

USB 2.0在改良USB 1.1時，也一併考量到各種磁碟應用，如將封包從64位元組加大至512位元組，讓承載容量與硬碟機的磁區單位（sector）相同；訊號傳輸速度則提升至每秒將近0.5Gb，與UDMA/66相同，如（表一）。USB 2.0所能提供的充裕頻寬，可輕易支援350倍速的CD-ROM光碟機，也就是現今市面上最快的硬碟機。

USB 2.0介面磁碟機的最大優點就是可提供使用者簡易的操作模式（ease-of-use）。研發初期，USB便預計被發展成一套真正的隨插即用介面（plug-and-play），使用者僅需將USB 2.0磁碟機連結上個人電腦就可立即使用。由於USB 2.0具備向下相容性（backward compatible），若將USB 2.0磁碟機插入舊版的USB主控端時，仍可正常運作，反之亦然。然而，這種方便的使用特性事實上是需透過許多複雜的指令轉譯機制，以及一系列業界標準的支援，讓資料從作業系統（OS）傳送至磁碟機本身時，負責執行各種轉換作業。以下我們將以USB 2.0磁碟機為例，層層剖析各個功能層，讓讀者瞭解與運用此裝置的所有步驟。

《圖一　USB 2.0介面的PCMCIA卡》

裝置驅動程式

最外層的元件為作業系統內部的裝置驅動程式。為了讓廠商減少撰寫裝置驅動程式的人力與成本花費，USB建置者論壇（USB IF）研發了許多標準詳述規格（Class Specifications），每一個Class Spec都是一種獨立於作業系統外的規格（OS-independent），定義了USB裝置在匯流排上的工作細項，讓作業系統廠商僅需開發一套驅動程式，便可支援所有的掃瞄器或磁碟機。現今支援USB 2.0高容量儲存裝置的Class Spec大都已被建置成許多作業系統的標準元件，如微軟的Windows 2000、Windows ME與最新的Windows XP、Mac的OS 9.6系統及之後的作業系統及Linux等系統，均已內建USB 2.0的驅動程式與相關支援技術。另外更針對硬體廠商，研發了支援Windows 98這類較舊型作業系統的程式。

Class驅動程式指令

下一個功能層便是檢視通過高容量儲存Class驅動程式的指令。高容量儲存Class Spec採用SCSI介面中的多組指令區塊規格來支援所有裝置，如支援軟碟機的UFI、支援快閃裝置的RBC及支援光碟機的SFF 8020，並讓裝置執行32位元LBA定址存取，提供總容量可高達2TB（比原型PC XT硬碟機的容量大20萬倍）的磁碟或磁碟陣列，而這些SCSI指令會透過供指令與資料分享的單對USB端點（endpoint）進行傳送。

指令區塊封裝資料單元

每個轉譯作業都從指令區塊封裝（Command Block Wrapper；CBW）資料單元開始，資料單元內儲存了指令、傳送方向、預估轉譯長度與一組獨特的標籤。當裝置接收到CBW後，主機（host）會先啟動指令的資料傳輸階段。資料傳輸階段由主機成功傳輸後，或是裝置在傳輸失敗或非預期傳輸時可予以中止。在指令的資料傳輸階段過後，裝置會傳送一組指令狀況封裝（command status wrapper，CSW）資料單元至主機，告知資料傳送成功或失敗，以及當資料階段終止時，尚有多少位元等待傳送。

IDE指令支援轉譯機制

PC內接式磁碟機的主流為IDE介面磁碟機。因高容量Class Spec僅使用SCSI指令集，故下一層使用的指令轉譯機制還必須支援IDE裝置。每組SCSI指令都須由USB-ATA橋接元件進行轉譯，分割至暫存器，並分別寫入IDE LBA暫存器、磁區數量暫存器（sector count register）與指令暫存器。這種轉譯步驟將會大幅增加橋接解決方案的複雜度，所以各種橋接解決方案的指令不僅具有相當多種類，SCSI轉譯作業的精準度也不同。

磁碟機電子介面

最內層就是連結至磁碟機的電子介面。不過幸運的是，磁碟機製造廠商透過由NCTIS的T13小組研發維護的ATA/ATAPI介面標準，讓所有廠商的產品都能達到極佳的彼此相容性。ATA/ATAPI介面標準採用常見的40針連結線支援每秒3MB的傳輸速度，最高可達到UDMA/33（每秒33MB）。附有40針接頭連結器的80針排線不僅具備回溯相容能力，更提供每秒133MB的傳輸速度。以上這些特色，讓ATA/ATAPI介面被現今市面上所有USB與各種高容量裝置的橋接元件採用。

儘管以上介紹這麼多的功能層，但要研發一套USB 2.0高容量儲存裝置必需投入的電子工程資源卻相當少。OEM廠商所研發的主要元件包括磁碟機電源供應器與被稱為「後擋板」（tailgate）的ATA-to-USB轉譯機板，因為轉譯機板就像卡車的後檔板一樣附加在磁碟機的後側。磁碟機通常採用與PC內部相同的ATA介面，雖然有些是透過USB介面支援。選擇適當的USB-to-ATA橋接裝置是項重要的工作。

結論

USB 2.0標準正從實驗室開始迅速發展成為市場主流。2000年4月，支援USB 2.0規格的PCI主控器元件已在出現在零售市場，Windows XP與Windows 2000等作業系統則內建了USB 2.0的支援能力，配備了USB 2.0支援功能的電腦與主機板將成為標準規格，取代現今普及率極高的USB 1.1版本。結合簡易使用特性與卓越的效能表現等特性，USB 2.0磁碟機將延續現有USB 1.1主控端控制器的高普及率，讓USB 2.0成為真正的萬用串列匯流排，帶給使用者最大的利益。（作者任職於柏士半導體）