USB界面已廣泛應用在個人電腦及許多工業和基礎設施平台；但在此同時，這項規格卻也衍生出USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、USB On-the-Go（OTG）和WirelessUSB（WUSB）等多種版本，造成使用者經常無法確定何種USB最適合他們的應用。USB 1.1規格出現後，微軟開始提供原生作業系統支援，這兩項因素不但讓USB迅速獲得個人電腦採用，還促使許多周邊裝置把序列（RS-232）、PS-2（滑鼠與鍵盤）和並列埠（Centronix和IEEE-1284印表機埠）等傳統界面轉換為這項通用的界面標準。

USB 2.0帶來了高速的連結能力，而USB周邊裝置的快速成長更大幅改善使用者的產品使用經驗。前一篇文章簡要介紹了USB標準的演進過程，本文將探討許多常見應用，並說明如何針對特定應用選擇最合適的USB。

USB 1.1、USB 2.0、USB OTG或WUSB？

為了便於下述討論，此處先簡述各種USB規格。USB 1.1、USB 2.0、USB OTG和WUSB現已成為常見名詞，但許多工程師和使用者卻常為此混淆。USB 2.0是取代USB 1.1的最新版本，它是USB 1.1的超集合，提供三種資料傳輸速度：

USB 2.0和USB 1.1對Low-Speed和Full-Speed的定義完全相同。USB OTG則是USB 2.0的補充規格，它定義一種全新的裝置類別，可以擴大周邊產品能力，使其包含部份的主機功能。OTG裝置可以使用USB 2.0提供任何一種速度。Certified WUSB是USB標準的最新擴充規格，它所界定的一套無線界面，能把有線USB技術的速度與安全性和無線技術的方便性融為一體。

Certified WUSB利用WiMedia Alliance發展的WiMedia MB-OFDM超寬頻（UWB）無線射頻平台，提供高速可靠的無線連結，在3公尺內傳輸速度可達480Mbps，10公尺則為110Mbps。各USB版本的規格都有其優缺點，只要簡單比較它們的成本、耗電和資料產出，就能確認那一種規格最適合特定的應用。

Low- Speed與High-Speed USB

低成本與低耗電是Low-Speed USB的最大優勢，雖然1.5Mbps速度對收發器規格造成很大限制，卻省下可觀的成本與功耗。資料產出是Low-Speed USB的明顯弱點，儘管其位元率達到1.5Mbps，USB規格的額外處理負擔卻讓實際資料產出不到1Mbps。High-Speed USB則是以資料產出為目標的USB標準，只不過它在提高產出的同時，也會導致成本與耗電大增。例如High-Speed USB控制器的成本就高於Full-Speed或Low-Speed USB，電路板實作成本也更加昂貴。這是因為就技術層面而言，要在480Mbps速度下維持訊號完整性會比12Mbps更困難。

Full-Speed USB則在速度、成本與耗電之間取得折衷，它能填補Low-Speed與High-Speed USB間的缺憾。

USB OTG也支援前述三種速度，故在比較不同速度的USB OTG規格時，前面的討論同樣適用。比較OTG與標準有線USB頗為有趣。USB規格的原始用意是把大部份的控制功能放到主機，以便降低周邊裝置的實作成本，如此雖迫使USB採用以主機為中心的匯流排架構，但能讓廠商發展出成本很低的周邊裝置。這種設計方式把USB控制功能的成本轉移到個人電腦上，而不是讓連接到匯流排的每台裝置都得負擔這些費用。OTG則改變了這種做法，把部份主機功能整合到標準USB周邊。然而，無論周邊裝置增加的功能多麼有限，以OTG的做法都會提高它們的成本，不僅負責整合主機功能的USB控制器晶片成本會增加，產品的其它部份也會受到影響，因為它們必須提供更多記憶體和更強大的處理能力以便支援這些主機功能。USB OTG的一項優點是它不需要電腦，就能讓USB裝置分享資料，後述討論USB應用時會詳細說明此點。

Certified WUSB則很容易使用，這是勝過有線USB的最大優勢。周邊裝置與電腦之間不再需要透過纜線傳送資料，使用者也不必透過USB線路提供電源給許多周邊，這些裝置必須利用標準的交流電源轉接器 （AC adapter） 或電池自行供電。

人機界面或輸入裝置

滑鼠、軌跡球、鍵盤、搖桿和遊戲控制器都是人機界面或輸入裝置的應用範例，它們多半採用中斷資料傳輸模式，由主機定時詢問這些裝置是否有資料提供給工作中的應用。主機通常每隔8ms就會詢問滑鼠是否要傳送資料，滑鼠則提供32位元資料做為回應，鍵盤則會在同樣時間內傳送64位元資料。就算是功能先進的搖桿和提供多個按鍵與動力回饋的遊戲控制器，也只會每8ms詢問一次，每次只傳送6個位元組的資料。這使它們的最大資料產出約只有8kbps（0.008Mbps），遠小於Low-Speed模式的1.5Mbps位元率。人們的打字或按鍵速度其實很慢，所產生的資料速率不可能超過Low-Speed USB的規格速度。這表示人機界面裝置的頻寬需求很小，短期內不可能超過kbps範圍，因此採用Low-Speed USB其實有助於降低成本。

人機界面的裝置其實不適合增加任何主機功能，因為主機功能需要更強大的處理能力，還會增加裝置成本。換言之，人機界面裝置不是Full-Speed OTG裝置的理想應用，但它們很適合做為OTG裝置的周邊設備，例如當使用者不在電腦旁時，只要透過可攜式鍵盤就能輸入資料到手機或PDA。在這類應用中，唯一要考慮的問題是能否將電流消耗控制在USB OTG規格要求的8mA以下，或者需要另接電池。

無線滑鼠與鍵盤已行之多年，但其設計仍採用廠商專屬的無線解決方案。這類產品必須將一個無線收發器裝置安裝到標準USB連接埠，以便裝置能夠連線到個人電腦。在多數情形下，使用者不能單獨購買新的滑鼠或鍵盤，或是把更多的無線人機界面裝置連接到這套系統，除非他們替該新裝置購買和安裝新的收發器。想要克服這個問題，使用者可以採用符合Certified WUSB標準的周邊裝置。

所有Certified WUSB鍵盤、滑鼠或搖桿都能像標準有線USB周邊一樣加入系統。短期而言，這類連結仍必須透過外接式Certified WUSB收發器；但預計在幾年後，Certified WUSB收發器將會整合到電腦，屆時就不再需要外接收發器，如此將進一步降低周邊裝置的成本。目前所有採用無線解決方案的人機界面裝置都需要電池，這是它們的共同缺憾，有線解決方案則能從USB連線取得所需的電源。

大量儲存裝置

大量儲存類別（Mass Storage Class）裝置包括外接式硬碟、DVD-RW、CD-RW、記憶卡讀卡機、ZIP磁碟、MO機和USB隨身碟。這類應用在選擇USB速度時，最重要的考量是確保USB不會成為傳輸瓶頸。舉例來說，(圖一)是沒有瓶頸時的USB資料傳輸速度，設計人員可以根據它決定目標應用需要那種USB速度。若頻寬使用在理想狀態 （亦即沒有額外負擔），設計人員就能分析在磁碟和個人電腦之間傳送1GB資料所需的時間。

《圖一　理想情形下傳輸1GB資料所需的時間》

既然現實世界不可能有理想頻寬，圖一的時間就必然快於實際應用所能達到的速度，這使得High-Speed USB成為大量儲存裝置唯一合適的選擇，而問題也變成：在非標準USB設計、Certified WUSB或OTG當中，何者才是大量儲存應用的最佳選擇？

USB隨身碟本來體積就很小，又很容易透過USB連線取得所需電力，所以它們不是無線應用的理想對象。這是因為加裝電池會增加成本，卻不能帶給使用者更多功能。讓隨身碟支援OTG功能或許有其道理，只不過額外增加的成本就可能會超過這項功能的價值。

對於永遠連接至電腦的「固接式」儲存裝置，有線USB連結是較好的解決方案。由於這類儲存裝置的電力需求較大，使用者多半利用交流電源轉接器提供電源。如果儲存裝置以行動或可攜式應用為主，OTG或WUSB就是比較理想的選擇。

行動儲存裝置通常都不是獨立性，而是內建硬碟以提供更大儲存容量的各式消費娛樂裝置，例如MP3播放機、數位相機、行動電話或PDA。由於這類裝置經常採用非標準的USB連接器，無線連結正是它們的最佳解決方案，利於使用者不必尋找合適的連接線即可使用，只要把裝置放到桌上電腦的旁邊，就能將其檔案與個人電腦裡的檔案同步作業。OTG是這類應用的另一種選擇，它能將相機連接到印表機，或是讓行動電話/PDA彼此相互連線。

數位相機

數位相機無論解析度為何（VGA超過800萬畫素以上），都會有某些類似的特色。目前所有相機都把相片儲存在CF、SmartMedia或MediaStick等記憶卡或內建硬碟中，而且它們都需借助電池，除了要對電池充電之外，通常不會從USB線路汲取電力。此外，這些裝置不需要電腦就能使用，只有在編輯影像、列印、儲存或轉送檔案時才需與電腦相連。

數位相機使用何種儲存媒介並不重要，重點是儲存容量。由於容量較小的相機會消耗儲存空間較快，使用者必須更頻繁地儲存資料；為避免使用者受到影響，數位相機必須迅速完成儲存動作和清除內部的儲存空間，以便使用者能繼續拍攝照片；至於高容量相機的使用模式，則與前面討論過的外接儲存裝置完全相同。但無論是高容量或低容量的數位相機，關鍵都在於確保USB連線不會成為相機傳送影像資料至電腦的瓶頸，這種情形就像外接儲存裝置一樣：資料管線越大越好！因此，High-Speed USB顯然是這類應用的最佳選擇。至於某些注重成本且儲存容量很小的相機，仍可採用Full-Speed USB以便符合低成本的要求。

數位相機是OTG技術的理想應用，因為使用者不必將數位相機連接到電腦，只要至相片沖洗店的沖印機就能直接沖印相片。然而這類應用也有些問題需要考慮，譬如使用者的相機與相片沖洗店的沖印機是否都在彼此支援的目標周邊裝置清單上？OTG數位相機或許能支援「沖印機」類別的USB裝置，但若沖印機需要特殊驅動程式才能沖印高品質相片，就可能發生問題。

反過來說，若以沖印機做為主機，相機擔任周邊裝置，沖印機就能支援大量儲存裝置，並透過個人電腦存取數位相機。廠商還能將記憶卡讀卡機整合到許多相片印表機，這也會對OTG數位相機或相片印表機市場造成有利影響。

數位相機是一種可攜式裝置，所以要將相片下載到個人電腦以便清除相機內部的儲存空間時，Certified WUSB似乎是最理想的選擇。這種做法的唯一缺點是：支援WUSB功能需要額外的成本，這對注重成本的數位相機市場是項不利因素；但在另一方面，數位相機增加WUSB功能後，就不必在產品包裝中附上USB連接線，甚至相機本身都不需要USB接頭，這應能抵消WUSB帶來的額外成本。無論如何，除非WUSB像今天的USB一樣獲得廣泛採用，否則數位相機的USB接頭仍會繼續存在。

可攜式媒體播放機（音訊或視訊）

可攜式音訊或視訊播放機的問題取決於儲存裝置的種類和容量，這與數位相機的情形完全相同。可攜式媒體播放機分為兩大類，一種使用硬碟，一種使用記憶卡。在討論如何將使用者的應用資料同步時，前述關於數位相機的考量同樣也適用於這些裝置。High-Speed是除了非常低階的產品外，真正適合所有產品的解決方案。

數位相機與可攜式媒體播放機的唯一差別在於，可攜式媒體播放機能將等時性（isochronous）即時資料串流至個人電腦播放，或是在OTG環境裡直接送到喇叭/耳機系統。後面的討論將會證明，除了非常高階的次世代音訊格式外，Full-Speed已能滿足所有串流音訊應用的要求。即時視訊串流則不是如此，它需要高達30Mbps左右的頻寬，因此同樣必須採用High-Speed USB連線。這些裝置和數位相機一樣，都是OTG和WUSB應用的主要目標，只不過它的周邊裝置不是沖印機，而是喇叭或耳機。

行動電話/PDA

行動電話和PDA裝置的使用模式很類似數位相機與可攜式媒體播放機，也需要考慮儲存容量的問題。這些裝置的儲存容量正在快速增長，因為所包含的功能越來越多，例如MP3播放機、百萬畫素相機或更大的通訊錄資料庫等。由於儲存容量變大，資料同步必須使用High-Speed才能予以滿足。行動電話和PDA就像數位相機與可攜式媒體播放機一樣，都是OTG的主要對象。它們是市場最先提供這項功能的產品之一，擁有WUSB的所有重要特性，將來可能不再使用外接式無線轉接器，而是率先在設計中直接增加WUSB功能。

印表機

印表機就像大量儲存裝置一樣，首先要考慮：資料產出瓶頸之可能處？除此之外，雷射印表機與噴墨印表機的資料產出要求並不相同，而且其它功能選項也會影響印表機的頻寬需求，例如是否包含資料壓縮功能。增加某些功能雖可降低頻寬需求，但也會導致成本上升，而成本卻是消費產品的關鍵因素。

消費者最常使用噴墨印表機，成本也是最敏感的考量。為了將成本降至最低，噴墨印表機經常把資料壓縮功能轉移到電腦上執行，如此使印表機與電腦之間的連接線路必須提供更大的資料產出，尤其傳送彩色文件時更是如此。一般而言，未含壓縮功能的印表機最多可能需要300Mbps頻寬，內建資料壓縮引擎的印表機雖然成本較高，卻能將頻寬需求減少到10Mbps左右。

在所有USB規格中，High-Speed USB界面每分鐘讓印表機傳送的頁數最多，Full-Speed USB的速度較慢，就算對包含壓縮功能的噴墨印表機也很吃力。因此，High-Speed USB是這類應用的較佳選擇。儘管如此，噴墨印表機仍是非常注重成本的市場，許多印表機只會搭載 Full-Speed USB界面；雖然這些產品每分鐘所能列印的頁數較少，但仍能滿足消費者的價格要求。

雷射印表機主要鎖定高階市場，對成本比較沒有那麼敏感，所以雷射印表機可以內建資料壓縮功能，以便分擔部份的處理作業。一般說來，雷射印表機每分鐘所能列印的頁數會超過噴墨印表機，故需透過High-Speed USB的龐大頻寬來滿足資料傳輸要求。

Certified WUSB的實作成本較高，通常不會被重視成本的噴墨印表機市場接受，但雷射印表機市場就比較可能吸收這些成本。傳統上，客戶為了支援SOHO等小型辦公室和家庭辦公室應用，多半會希望雷射印表機很容易連接筆記型電腦。

把OTG功能加到任何一種印表機，都能讓它們直接列印數位相機或PDA等可攜式消費產品儲存的圖片；事實上，許多高階印表機已開始提供小型螢幕，以便使用者直接在印表機上觀看相片/文件和執行編輯。這些功能雖在印表機連接到電腦時並無助益，但對能同時做為主機和周邊的OTG裝置卻很有用處。

個人電腦攝影機或網路攝影機

網路攝影機通常分為兩大類，一種使用資料壓縮，另一種傳送原始資料，這兩種產品都使用等時資料串流。第一種攝影機通常會以每秒30格畫面 （fps） 的速率提供640 x 480解析度的未壓縮視訊資料，第二種攝影機比較可能以24fps的速率提供1024 x 768解析度，並且支援RGB-24 （百萬種色彩，24位元）。另外，這些裝置多數都是匯流排供電。它們和噴墨印表機市場一樣，銷售對象都是消費大眾，並且非常在意成本。圖1與表2是網路攝影機在某些應用條件下傳送未壓縮資料的頻寬需求。

《圖二　網路攝影機頻寬需求》

從(圖二)可看出網路攝影機若未包含壓縮功能，就必須使用High-Speed USB連線才能滿足資料傳輸需求！實際上，就算攝影機已壓縮資料，通常仍需要30Mbps以上的產出，所以也必須採用High-Speed USB連線。

在以網路攝影機做為主機的應用中，使用USB OTG沒有太大意義。但網路攝影機也不能做為OTG裝置的周邊，因為它需要OTG主機提供超過8mA的電流，而且不要外部電源或電池的額外成本。

Certified WUSB也不適合網路攝影機，原因同樣在於電源與成本。網路攝影機的平均售價僅約60～100美元，不可能為了WUSB晶片而增加5～10美元以上的成本。另外，WUSB還需要攝影機廠商提供交流電源轉接器，如此既增加成本，又會破壞WUSB的最大優點–行動性

喇叭/耳機

分析喇叭的等時頻寬需求時，首先要確認它們支援那些音訊格式：Dolby Digital （AC-3）、DTS Digital Surround、THX或下一代未壓縮音訊？Dolby Digital是一種5.1聲道環繞音效格式，也是DVD-Video的音訊格式標準。DTS Digital Surround是另一種5.1聲道的環繞音效格式，它與Dolby Digital很類似，但彼此相互競爭。THX Surround EX又稱為Dolby Digital EX，主要指最新6.1聲道環繞音效格式的Dolby Digital版本，它除了原有的5.1聲道環繞音效格式外，還在聽眾後方增加1或2隻喇叭。另外，還有許多使用未壓縮資料的音訊格式在與Dolby Digital競爭，例如許多頂級揚聲器就會使用每通道96kHz的24位元未壓縮資料串流。(表二)列出了這些音訊格式的頻寬需求，其中只有下一代未壓縮音訊會超出Full-Speed USB的能力範圍。

喇叭不應做為全功能OTG裝置，它們比較適合擔任OTG視訊或音樂播放機的周邊，例如MP3或可攜式DVD播放機。至於WUSB的主要應用對象，則是願意增加零件用料的高階喇叭，例如個人電腦的高階遊戲喇叭系統，以及家庭娛樂設備所使用的組合式喇叭和超重低音喇叭。普通的個人電腦喇叭（低成本喇叭通常會隨著電腦或特定應用的低階產品提供給消費者）將不會應用這項技術，因為既會提高產品價格，消費者也不願花錢買一隻音質欠佳的無線喇叭。

耳機通常僅需128kbps頻寬驅動兩個高品質音訊串流，因此比喇叭更容易透過Full-Speed USB滿足其頻寬需求。耳機不需要任何主機功能，所以OTG耳機就像OTG喇叭一樣沒有太大意義；但是當耳機做為周邊裝置時，就成為無線解決方案的理想目標，例如平均售價超過199美元的高階耳機就能利用WUSB技術連接電腦以支援VoIP等應用，或是連接到PDA和行動電話等裝置。

USB的下一步？

要準確評估這個「速度需求」，首先必須瞭解其背後的推動力。從之前的產品討論中可以看到兩個重要趨勢，一是內容越來越豐富，一是儲存容量越來越大。但究竟是更豐富的內容使得儲存容量需求增加，或是更大的儲存容量讓消費者要求更豐富的內容？這個問題恐怕就像雞生蛋或蛋生雞的爭議，永遠不會有定論。

數位相機市場是內容越來越豐富的一個例子。在1998年時，數位相機平均只有100萬畫素，2004年增為500萬畫素，今天則接近1000萬畫素。行動電話目前大都配備130萬畫素相機，可見的未來將增加到500萬畫素，而且這個趨勢似乎沒有減慢的跡象。

在此同時，數位相機正從光學變焦（一種龐大昂貴的機電次系統）轉換到數位變焦。數位變焦需要更高的解析度，讓相機使用者能夠拉近（zoom in）已擷取的數位畫面，同時仍維持原有的高解析度影像。無論是畫素增加或從光學變焦轉換到數位變焦，這兩種趨勢都需要儲存和上傳更大的影像檔案。1998年時，相機JPEG檔案的平均大小為100KB，今天已增加到4MB。另外，新式數位相機還能迅速將拍攝內容傳送到外接儲存裝置或電腦，以便釋出空間讓使用者繼續拍攝。

內建硬碟的可攜式媒體播放機也會提供更豐富的內容，例如MP3或視訊播放機。多數內容的設計都是為了方便消費者隨身攜帶。電影正從標準畫質（需要5.7GB儲存空間）轉移到高畫質電影（25GB儲存空間），許多MP3播放機也已內建40GB儲存空間，最多能攜帶1萬首MP3歌曲。

過去幾十年來，儲存容量的成長速度不僅比任何技術演進都要快，甚至還超越了莫爾定律（Moore’s law）。在討論儲存容量時，一定要考慮硬碟和快閃記憶體的發展趨勢。1996年的硬碟平均直徑為3.5吋，轉速為3600RPM，儲存容量則為540MB。到了2004年，硬碟平均直徑變為2.5吋，轉速為9600RPM，儲存容量則為160GB。另外，硬碟的體積也不斷縮小，例如5GB的1英吋硬碟和4GB的0.85英吋硬碟都已出現。這些新型儲存裝置是以體積精巧的可攜式應用為目標，像是行動電話和MP3播放機。將市場趨勢和前述因素列入考慮即可發現，如果儲存容量維持目前的104％年成長率（莫爾定律的兩倍），那麼2008年的硬碟平均（不是最大）容量預估可達2750GB，直徑為2.1英吋，轉速則為1萬5700RPM。快閃記憶體在1989年首次出現時，容量只有1MB。到了2004年，快閃記憶體的容量已成長到1GB。若以此趨勢持續下去，2008年就會出現6.4GB的快閃記憶晶片（相當於58％的儲存容量年成長率，比較接近莫爾定律）。

假設頻寬效率為50％，則可以根據(圖三)分析需要多快的傳輸速度，才能在10秒、1分鐘和5分鐘內在電腦與儲存裝置之間移動20GB資料。5分鐘是很好的參考指標，因為它是許多使用者對行動功能的最大容忍極限；事實上，多數使用者希望傳輸動作能在1分鐘內完成。使用者很少會傳送這些裝置的全部內容，在這種情形下，5Gbps的傳輸速度似乎是未來USB提高速度時的一個很好目標。(圖四)是不同大小的影像資料在50％頻寬效率下所需的傳輸時間。

《圖三　在電腦與儲存裝置之間移動20GB資料所需的速度（假設頻寬效率50％，所需時間分別為10秒鐘、1分鐘和5分鐘）。》

《圖四　各種影像資料大小所需的傳輸時間（假設頻寬效率50％）》

結語

前一篇文章回顧了個人電腦周邊的簡單歷史、通用界面需求和USB規格的演進過程，接著又介紹USB規格，以便瞭解它如何影響最終使用者的產品使用經驗。文章最後還複習這項規格的歷史，並且介紹目前常用的各種USB。

本篇則介紹許多常見應用，並且討論各種USB版本的優缺點，以便找出最適合特定應用的USB。文章接著分析其中部份應用的未來發展，並且認為到2009年以後，市場將需要資料產出更高的USB連線。

---作者為TI德州儀器介面連結應用產品行銷經理---

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