USB發(fā)展簡史
自從IBM計算機于1981年提出開放架構(gòu)的PC規(guī)格以來，計算機的操作運算速度及使用者接口朝向更快速、精簡的路邁進，然而延伸PC架構(gòu)接口的發(fā)展趨勢，目前以USB 2.0及IEEE 1394最令人津津樂道;而Intel于2000年4月正式推出免費授權(quán)的USB 2.0版架構(gòu)，使得原本早期的USB 1.1接口如虎添翼，傳輸速度由12 Mb/s躍升為480 Mb/s的高速版本(High Speed)，并且具有容易使用、熱插拔、同時可支持127個外圍設備(如USB Hub/集線器這類的輔助裝置來把這些設備接上)等特點，雖然USB 2.0與IEEE 1394兩者接口在市場上仍存有許多重迭的灰色地帶，特別是現(xiàn)在到處充斥著『家電信息化』或『信息家電化』的未來趨勢，更使得兩大門派增添不少想象空間，不過就目前的PC相關(guān)外圍市場而言，以Intel捍衛(wèi)PC市場的決心來看，似乎讓USB 2.0接口除了可鞏固現(xiàn)有市場(USB 1.1)外，尚可更快加速擴大現(xiàn)有的市場，而IEEE 1394若想要在這個領(lǐng)域超越的話，似乎還得再加把勁。
當初制定USB的目的有三個：Ⅰ.使個人計算機具備通訊的能力。Ⅱ.容易使用。Ⅲ.具備強大的擴充性。由這三點可以清楚的知道USB接口能夠輕易地連接PC外圍產(chǎn)品，使用者不需因不同的外圍裝置而需找其對應的埠(Port)連接。至于市場的預測主要以PC為主，其中98%~99%的個人計算機皆有USB接口，其主要外圍應用產(chǎn)品以鼠標和鍵盤為主。表1為In-Stat對2001～2004年USB的市場預測。
USB規(guī)格的廠商共同設立了一個『USB應用者論壇(USB Implementers Forum Inc/USB-IF)』的非營利組織。而USB-IF 是一個以技術(shù)支持為首要的組織，目的在于接受各界對USB技術(shù)研發(fā)與應用建議的論壇。并且為促進高品質(zhì)并具有兼容性USB設備研發(fā)、規(guī)格 測試等做產(chǎn)品的推廣。同樣地USB也和其它業(yè)界規(guī)格(如IEEE1394、DVD、DTS等)一樣，USB1.0及USB2.0皆具正式卷標，而產(chǎn)品貼上USB2.0規(guī)格的卷標，便代表它與其它同樣具有USB2.0規(guī)格卷標的外圍正常使用，并且已經(jīng)過完整測試及具有兼容性。其測試項目如下：
�、�.適配卡、主機板及系統(tǒng)
(1)電源提供測試(Power Provider testing)
(2)傳出訊號品質(zhì)(Downstream Signal Quality)
(3)通用性(Interoperability)
�、�.全速與低速集線器(不含高速支援)
(1)電源提供測試(Power Provider testing)
(2)傳出訊號品質(zhì)(Downstream Signal Quality)
(3)回傳訊號品質(zhì)(Upstream Signal Quality)
(4)設備架構(gòu)測試(Device Framework Testing)
(5)互通性(Interoperability)
(6)平均電流消耗(Average Current Consumption)
Ⅲ.全速與低速外圍
(1)回傳訊號品質(zhì)(Upstream Signal Quality)
(2)設備架構(gòu)測試(Device Framework Testing)
(3)互通性(Interoperability)
(4)平均電流消耗(Average Current Consumption)
其中『互通性(Interoperability)』為衡量軟件質(zhì)量的一個重要指標。它指一個軟件系統(tǒng)接收與處理另一個軟件系統(tǒng)所發(fā)送的信息能力，反映該軟件系統(tǒng)是否易于與另一個軟件系統(tǒng)快速連接的接口。一般可用下列三點來評價：
�、�.模塊化：該軟件所具有的模塊結(jié)構(gòu)能力。
Ⅱ.通信通用化：該軟件使用標準通信協(xié)議和接口例行程序的能力。
�、�.數(shù)據(jù)通用化：該軟件使用標準數(shù)據(jù)表示的能力。
另外在設計USB 2.0設備時，還要注意到防治電磁干擾(EMI Remediation)、機身接地(Chassis Grounding)、布線設計(Trace Layout)、設備封裝(Device Packaging)、電路板設計(Board Layout)及數(shù)據(jù)訊號衰減噪聲(Data Signal Attenuation/Jitter)等問題。
另外值得一提的是USB 2.0傳輸規(guī)格全新加強版─USB On-the-Go (USB OTG)，即USB 2.0的追加規(guī)格(Supplement to USB 2.0 Specification)，亦稱OTG規(guī)范，是USB-IF針對USB 2.0既有標準追加上去的補充條款。它允許讓各個裝置都能夠扮演主控者的角色，目前市場上極被看好且具明星相貌的裝置─PDA、影像行動電話、數(shù)字相機、可攜式硬盤及NB等裝置。舉例來說：當PDA變成主控裝置時，可以與其它品牌的PDA做數(shù)據(jù)傳輸或檔案交換等功能;當與行動電話接上時，可經(jīng)由它上網(wǎng)，上傳或下載訊息;當與打印機接上時，即可打印圖片或檔案;當與數(shù)字相機接上時，便可以儲存或交換影像圖片檔案;連接上硬盤時，亦可備份或儲存數(shù)據(jù)。同理，其它裝置變?yōu)橹骺匮b置時，亦可與被控裝置做多元化變換的功能，是謂廣泛又富高度的彈性。
以下就USB市場所衍生的相關(guān)產(chǎn)業(yè)做詳細的分析：
閃存市場
手持或攜帶式電子產(chǎn)品等，強調(diào)電源節(jié)約度的產(chǎn)品已廣泛成為下一世代的主要需求，而非揮發(fā)性內(nèi)存在近年來的應用日漸重要。在此范疇中的產(chǎn)品包含F(xiàn)lash Memory、Mask ROM及EEPROM(反之則為DRAM及SRAM)。其中又以Flash Memory可重復讀寫并且存取速度快而最受矚目。
Flash Memory之所以能夠在未施予外界電源的情況下，而仍能保存數(shù)據(jù)的主要原因，在于內(nèi)存組件本身具有與外界隔離的懸浮閘(Floating Gate)，經(jīng)由良好的設計與制造程序，此一稱為懸浮閘的區(qū)域可長時間儲存電荷而不致流失，故數(shù)據(jù)可被妥善保存。當欲抹除所儲存的數(shù)據(jù)時，則僅需藉由操作電壓的改變，即可將保留于懸浮閘中的電荷移去。另外Flash Memory的優(yōu)點尚包含：在惡劣的環(huán)境下(震動、搖晃、強烈的溫差)依然有相當高的可靠度、嵌入式系統(tǒng)中依舊有相當便利的覆寫數(shù)據(jù)能力及非揮發(fā)性(數(shù)據(jù)不需依靠持續(xù)充電維持)等。表2為Flash與DRAM產(chǎn)業(yè)特性的差異分析表。
根據(jù)IC Insight的統(tǒng)計，F(xiàn)lash Memory主要的應用是在于通訊、消費性及計算機相關(guān)的3C產(chǎn)品上，如圖1所示。三者合計約占整體市場的84%。倘若進一步將Flash Memory依結(jié)構(gòu)與工作原理區(qū)分，根據(jù)Dataquest預估的數(shù)據(jù)顯示，去年適用于儲存程序代碼的NOR Type Flash(包含DINOR Type，亦稱為Code Flash)之產(chǎn)值約占Flash總產(chǎn)值的80%左右，其余則為適用于一般數(shù)據(jù)儲存的NAND Type Flash(包含AND Type，亦稱為Data Flash)。圖1為Flash應用領(lǐng)域之產(chǎn)值比重分析圖。
一般而言，F(xiàn)lash可分為兩大類，NAND Type及NOR Type。NAND Type Flash因存儲元件尺寸較小，主要用于儲存數(shù)據(jù)，容量較大，目前主流為64MB、128MB，今年底前1GB產(chǎn)品應可問世，其產(chǎn)品多搭配MP3隨身聽、數(shù)字相機、PDA、行動電話、掌上型計算機及數(shù)字攝影機等做為儲存影像、音樂及一般數(shù)據(jù)之用。由于在使用上，受上述可攜式產(chǎn)品體積限制的影響，而無法內(nèi)建龐大容量的內(nèi)存;因此NAND Type Flash有超過八成以上的比例是封裝成小型記憶卡以供消費者做為外加之用。依小型記憶卡的市場現(xiàn)況推論，筆者認為NAND Type Flash現(xiàn)階段主流容量約為64Mb與128Mb。不過隨著廠商致力于制程微縮，每位NAND Flash的制造成本正快遽下滑，因而可以預期不論是消費者購買外加記憶卡的數(shù)量或硬件產(chǎn)品中內(nèi)建NAND Flash之容量將明顯增加。圖2為Dataquest對全球NAND Type Flash的市場預測圖.
NOR型的主要的應用為程序代碼的儲存，容量相對較小，但具有存取快速的優(yōu)點，行動電話的需求量為其最大的用途，目前市場行動電話主流規(guī)格容量為16MB，幾乎為2001年的倍增，占NOR Flash整體需求的47.3%，其次為Set-Top Box、計算機主機板、局域網(wǎng)絡路由器及光驅(qū)。為配合行動電話產(chǎn)品之發(fā)展，現(xiàn)階段NOR Flash的容量是以8Mb、16Mb及32Mb為需求的大宗。由于包含行動電話在內(nèi)的各種產(chǎn)品功能將日趨復雜，每一產(chǎn)品對NOR Flash的單位用量可望隨之提升。因而Dataquest預估，NOR Flash用量前五大的產(chǎn)品至2004年為止，復合成長率至少皆可保持于40%以上。而在日本i-mode營運模式的需求下，對容量的要求更高，高達32MB，未來在2.5G、3G出線后，容量勢必將再向上倍增。圖3為Dataquest對全球NOR Type Flash的市場預測圖及表3為Flash之特性與應用表。
美國PDA Buzz網(wǎng)站最近刊登了一篇消費者最常使用的PDA周邊附屬產(chǎn)品調(diào)查，時間為2002年4月，有效樣本為1535份，由表4得知，最常使用的仍是記憶卡，占34.4%，目前PDA的擴充槽接口，多半是以內(nèi)建CompactFlash Type II和Secure Digital(SD) Card為主，且以目前和未來PDA的發(fā)展趨向而言，似乎新推出產(chǎn)品都趨向以SD Card為主流。再者其次是鍵盤，占21.8%，一般而言，在操作計算機時，皆以鍵盤輸入為主，而操作PDA時，尤其是輸入文字較多時，以鍵盤輸入較為方便。第三則是數(shù)字相機，占12.1%，PDA加上數(shù)字相機所占的比例近五成，由于兩者可產(chǎn)生多元化的變換應用，對于一些需要實時影音的擷取、傳遞影像的特定行業(yè)應用非常方便。其它如Wireless Modem、Network Card，則因整個通訊傳輸環(huán)境尚未建置完善，再加上傳輸速度尚受限，因此消費者對于此類的外圍附屬裝置需求會較少。
對Flash而言，將Flash整合進其它芯片的Embedded Flash就成為一種趨勢。一旦整合芯片，有成本上的考量時，廠商就有可能采取Embedded Flash的方式來減少空間。并隨著次微米的制程技術(shù)及先進的封裝技術(shù)(傳統(tǒng)采用TSOP封裝方式，現(xiàn)在則流行使用CSP封裝方式)來縮小芯片的面積，在低耗電、高密度及小體積等要求下，Multi Level Cell 與Multi Chip Package的Flash Memory產(chǎn)品將是未來發(fā)展的重要趨勢。相關(guān)組件市場
(一)PPTC & PolySwitch組件
正溫度系數(shù)熱敏電阻(PPTC)自復式組件主要是對破壞性的電流過載沖擊進行保護，應用于計算機和外圍設備的電路保護，以確保在發(fā)生意時的錯接或短路的情況下，不會導致永久性的內(nèi)部和外部電路受損。其組件迅速地成了I/O Circuit保護的工業(yè)標準，廣泛應用于USB、IEEE1394、VGA及PS2上。由于此組件是由特殊結(jié)構(gòu)的高分子和導電粒子混合而成的導電聚合物制成，常溫時導電粒子在導電聚合物中形成低電阻鏈，一旦操作溫度超過組件的動作溫度時，導電聚合物內(nèi)的結(jié)晶就會融化而形成無定型狀態(tài)。結(jié)晶融化后體積增加，使得導電粒子相互分裂，促使組件的電阻呈現(xiàn)非線性增加。發(fā)生電路故障時，電阻增加，將電流量降至最低，發(fā)揮保護作用。待故障消失后，電路電源除去則組件自動重新設定，回復正常工作狀態(tài)。
除了 PPTC組件做為電流過載沖擊保護的組件外，尚可利用PolySwitch作為電源負載管理的組件，它不僅防止電流過載保護，亦向系統(tǒng)的控制端發(fā)出提示信號，表明是否為可用或不可用之狀態(tài)(如電壓不足、過載、溫度過高及電流過載等)。因此對于設計者欲使用較完善之保護組件，PolySwitch所提供的較短動作時間及過載電流限制能力，絕對符合設計者的要求，并且可以使設計者選取較小的電源。
(二)Ferrite Core組件
電磁兼容(EMC)系指電子電氣產(chǎn)品在操作時，會幅射出電磁波，而電磁波是一種『非游離幅射』會對其他電子產(chǎn)品正常操作產(chǎn)生干擾、甚致對人體產(chǎn)生危害，影響所及包括飛機的導航設備、汽車的控制系統(tǒng)、甚至人體的心率調(diào)整器也會產(chǎn)生影響，為排除電磁干擾的影響，創(chuàng)造出電磁兼容(EMC)的環(huán)境，方法包括降低電子電氣產(chǎn)品的電磁干擾(EMI)及提高電子電氣產(chǎn)品的電磁耐受性(EMS)等。
USB接口的連接線為了避免Crosstalk(串音或串擾)，除去會混入高速傳送信號中的噪聲，是必要的對策。在高速的差動信號傳送下，由于接地層與電源層的信號搖擺，使得放射噪聲增加。因此目前普遍采用共模抗流線圈(Common Mode Choke Coil)及鐵氧體磁芯(Ferrite Core)來將EMI的噪聲降低。而共�？沽骶�圈主要的目的在于除去接地層的電壓搖晃及訊號配線所產(chǎn)生的噪聲。當同相位的電流因磁束重迭而產(chǎn)生阻抗，除去噪聲。相對地電流為反相時，因電流產(chǎn)生的磁束相互打消，而不會產(chǎn)生阻抗。
換句話說，共模抗流線圈不會對Normal模式電流產(chǎn)生影響，而是針對共模電流做選擇性的衰減。而鐵氧體磁芯(Ferrite Core)是以高溫燒成的金屬氧化物，主要作為高頻線圈及變壓器等產(chǎn)品之磁芯。而鐵氧體磁芯可分為鎳鋅與錳鋅鐵氧體磁芯兩大系列，在電子組件的引線上套上一些管型或環(huán)型的軟磁鐵氧體磁芯，利用鐵氧體磁芯的電磁損耗有效地消除傳導及幅射的EMI噪聲，此種方法簡便且成本低廉，并且廣泛運用于各種信息產(chǎn)品。
(三)ESD組件
靜電放電(Electrostatic Discharge/ESD)是自然界中電位快速變化所造成的現(xiàn)象，亦是造成大多數(shù)的電子組件或電子系統(tǒng)受到過度電性應力(Electrical Overstress/EOS)破壞的主要因素。這種破壞會導致半導體組件及計算機系統(tǒng)形成一種永久性的毀壞，進而影響集成電路 (Integrated Circuit/IC)的功能，使得電子產(chǎn)品不正常動作。而靜電放電破壞的產(chǎn)生，多半是由于人為因素所形成，但又很難避免，電子組件或系統(tǒng)在制造、生產(chǎn)、組裝、測試、存放及搬運等的過程中，靜電會累積在人體、儀器及儲放設備等中，甚至在電子組件本身也會累積靜電，而人們在不知情的情況下，使這些物體相互接觸，因而形成了一放電路徑，促使電子組件或系統(tǒng)遭到靜電放電的肆虐而造成損壞。
由于全球?qū)Ω哌\算速度與低功率消耗的IC產(chǎn)品需求提升，臺灣的IC制程技術(shù)已進入0.09微米的時代，藉由縮減IC芯片面積、降低制造成本來提升產(chǎn)品的性能與良率。在次微米制程的持續(xù)開發(fā)下，集成電路中I/O接腳所連接的內(nèi)部組件尺寸都極微小，很容易受微弱的靜電所破壞，因此ESD對于半導體產(chǎn)業(yè)從設計、制造、測試及運送過程中，一直扮演著殺手的角色。現(xiàn)今商用IC在ESD防護能力的國際標準基本規(guī)格為HBM ESD測試要達2000伏特以上，欲提升臺灣IC產(chǎn)品的國際競爭力，IC產(chǎn)品的ESD規(guī)格就必需要能符合國際水準，而ESD防護能力便成為價格競爭的關(guān)鍵之一。
迷你型儲存媒體市場
近年來，除了行動電話市場快速成長外，MP3隨身聽與數(shù)字相機也持續(xù)地普及，加上新型可攜式產(chǎn)品的推陳出新，造成全球Flash市場急遽擴張，后勢極為看好!為了因應此一快速擴張的市場，臺灣廠商相繼投入信息家電(IA)新的嵌入式應用領(lǐng)域，將應用平臺推向更多元化的發(fā)展以擴大市場。過去以信息應用為主的PC，已逐漸步入專用型的領(lǐng)域，故有特定功能之嵌入式應用產(chǎn)品出現(xiàn)，其主要特點有二：
Ⅰ.系統(tǒng)封閉性：即產(chǎn)品或系統(tǒng)本身不再具有任何型式之數(shù)據(jù)儲存媒體，可以作為程序或數(shù)據(jù)的加載媒介(如PC中之軟盤、光盤或硬盤等)，因此PC便不是一個具有封閉性的系統(tǒng);而封閉性產(chǎn)品應該是絕大部份家電產(chǎn)品、通訊系統(tǒng)、日常設備、特殊儀器等之主要特性。由于具有封閉性，因此在功能的擴充上便十分有限，產(chǎn)品本身的自我檢測、偵錯及完成產(chǎn)品功能的核心部份皆須內(nèi)建，這類的應用小如智能型玩具，大至飛彈等軍事裝備，均具此一特性;而這樣的特性卻也造成產(chǎn)品本身在未來發(fā)展上重大的限制，因而缺乏多元化應用或升級的彈性。
�、�.可記憶與修改之彈性：由于產(chǎn)品本身具有封閉性，為了保有一些運算或升級上的需求，通常產(chǎn)品本身也需要具有可儲存(記憶)與可修改的彈性，嵌入式軟件通常是以只讀型內(nèi)存來儲存其所必須的系統(tǒng)軟件，因此具備了同時儲存程序與數(shù)據(jù)的功能，而在某些特殊應用的產(chǎn)品上(如無線按鍵式電話便需要嵌入式軟件來完成其通訊方面的功能，同時也需要具有記憶與更新所按入電話號碼的能力)，此便需要具有同時可以儲存程序與數(shù)據(jù)的功能及修改數(shù)據(jù)的能力。目前嵌入式應用產(chǎn)品普及的原因─信息產(chǎn)品朝「輕薄短小」、攜帶方便、信息流通便利發(fā)展，信息與家電產(chǎn)品及可攜式產(chǎn)品間的信息互通，都使得產(chǎn)品走向逐步往高聚合性的3C嵌入式系統(tǒng)邁進，而這一潮流更為小型的儲存卡創(chuàng)造了無限的發(fā)展商機。
迷你型儲存媒體市場之所以能夠吸引眾多廠商的參與，無非是業(yè)者看上它未來雄厚的發(fā)展?jié)摿�，目前此類產(chǎn)品相當流行，特別是上班族及學生是其主要消費者;以目前市面上所”瘋”靡的迷你儲存媒體─隨身碟(大姆哥)而言，儲存容量為磁盤片的數(shù)十倍至數(shù)百倍，且造型精巧、可愛、又可充當?shù)躏�，相當受到消費者的歡迎，況且此類產(chǎn)品電路極具簡單，僅需一顆 Control IC、Flash Memory及外圍零組件即可完成;至于是否完全取代磁盤片，價錢則是主要考量，筆者相信只要Flash Memory價錢能夠降低，那么全面使用隨身碟來取代磁盤片的日子必是指日可待。
由于小型記憶卡應用產(chǎn)品極為廣泛，至今仍無統(tǒng)一規(guī)格可以獨霸全部應用市場，是故主要大廠為掌握優(yōu)勢以取得未來市場的領(lǐng)導地位，無不使出渾身解數(shù)，大力推動其主導規(guī)格產(chǎn)品的應用。以SONY為例，為了進一步推廣MS的應用，將不同的MS Card與System相結(jié)合(如GPS Stick、Bluetooth Stick及DSC Stick等)，其積極開發(fā)MS Card終端產(chǎn)品，從PC、消費性電子產(chǎn)品到玩具等一應俱全;另外SD Card亦成功地切入掌上型PDA之應用，而Multimedia Card則有著手機業(yè)者的背書，這些例子均可明顯地看出運用迷你型儲存媒體來補足嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品在擴充性能上的不足，實在是一個非常具有潛力的應用。
就未來產(chǎn)品的應用面分析，嵌入式系統(tǒng)搭配迷你型之儲存媒體所創(chuàng)造出來的多元化應用，是一個必然的趨勢，嵌入式系統(tǒng)有了「迷你型儲存媒體」的助益，將使得嵌入式的應用如虎添翼，讓嵌入式應用更加多元也將更加普及，而迷你型儲存媒體也需要嵌入式產(chǎn)品堅固的承載平臺，讓其有效地發(fā)揮。因此「迷你型儲存媒體」搭配「嵌入式應用」，將互蒙其利，相輔相成，有助于整個嵌入式應用市場的發(fā)展。表5為市售各種記憶卡之特性規(guī)格，表6為各記憶卡之優(yōu)缺點。
結(jié)論
攜帶式產(chǎn)品事實上是包含3C的概念，如PSII、DVD Player等仍保有純消費性產(chǎn)品的特質(zhì)，但其余如數(shù)字相機、MP3隨身聽、PDA及手機等產(chǎn)品結(jié)合在一起，未來終結(jié)產(chǎn)品還沒有看到，但趨勢是很明顯的，獨立型產(chǎn)品的生存空間將逐漸受到壓抑。未來手持式計算機(Handheld Computer)將有機會一統(tǒng)江湖，主要原因是其已具備高階處理器與高容量內(nèi)存或儲存媒體，因此只要將不同功能的芯片，如無線通訊的RF芯片、數(shù)字相機的CCD擷取芯片、訊號轉(zhuǎn)換的DSC芯片整合起來，一臺未來的整合型的終結(jié)產(chǎn)品將會是每個人身邊不可或缺的產(chǎn)品。就以往信息計算機應用項目來看，盡管計算機外設系統(tǒng)設備種類繁多，但在應用特性上仍舊是個人計算機的應用為主軸，無論是儲存功能的CDROM、HDD，或是顯示與輸出功能的Monitor及Printer等，基本上仍舊是與個人計算機形成一對一的搭配關(guān)系。也正因如此，USB接口所衍生的相關(guān)外圍產(chǎn)品越做越小。 |
