原创 哪种USB接口适用于您的应用

作者：Dan Harmon ，德州仪器 (TI) 通用接口连接产品部产品线市场营销经理

通用串行总线 (USB) 外设接口已广泛应用于所有个人计算平台及众多工业和基础设施平台。不过，与此同时，人们对给定应用适用的 USB 版本，如 USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、On-the-Go (OTG)、无线 USB (WUSB) 等的规范还不太清楚。随着 USB 1.1 规范的发布，以及 Microsoft 操作系统为这一标准提供原生支持，这促使 USB 主机接口在 PC 中快速普及，同时也推动众多传统接口，如串行 (RS-232)、鼠标和键盘 (PS-2) 及并行端口（打印机使用的Centronix 与 IEEE-1284）等，向这种新型通用接口标准过渡。随着可支持更高速度连接的 USB 2.0 规范的发布，USB外设的数量出现激增，从而大幅改善了用户的使用体验。本文的上半部分将讲述 USB 标准的发展过程，下半部分则将探讨其常见的应用，并介绍给定应用采用哪种 USB 标准最好。

为了充分了解为什么 USB 已成为我们所不可或缺的通用接口，我们就必须回过头来了解个人电脑早期的发展情况，即上世纪 80 年代的情况。对我们这些上了一定年纪的人来说，应该还记得当时最早的 PC 和 DOS 操作系统，既没有图形用户接口 (GUI)，也没有万维网的存在。这种系统架构和使用模式仅支持很有限的“外设”。大多数计算机都不自带硬盘驱动器，更别说支持什么外部存储设备了。外部网络连接也不存在，甚至根本不知道什么是网络。唯一所需的人机接口设备就是键盘，而键盘有自己专用的连接端口；当时唯一常见的其它外设就是打印机，通常采用某种并行端口连接。随着 Windows? 操作系统 GUI 的推出，人们需要另一种输入设备，也就是 MAC 操作系统已经使用的那种设备。这种最常见的人机互动应用点击设备就是鼠标。随着新的连接技术的出现，以及用户联网的要求，推动 PC 开始采用新的连接端口，即通常所说的串行端口或 COM 端口。随着时间的推移，大多数 PC 都针对键盘和鼠标提供专门的接口，即 P/S-2 端口。

并行、串行及 P/S-2 等上述常见的外设端口存在三大不足之处。图 1.1 （PS/2 与 COM 断口）和图 2.1 （打印机）显示了机箱背后各种端口的典型特性。首先，这些端口不支持端口扩展，这限制了接入 PC 的外设数量。在使用这些端口的情况下，为了增加连接点，最终用户一是要购买支持所需端口的插卡；二是要打开机箱；三是要安装插卡；四是要关闭机箱；五是要重新配置系统，让系统识别新增的端口，避免出现冲突。其次，每种端口的性能有限。表 1.1 总结了上述每种端口的性能。第三大不足则在于缺乏标准连接方法。不同的外设制造商必须自己决定到底使用哪种端口，还要提供相应的驱动程序，确保硬件能在 PC 系统中使用，这也会让最终用户头疼。

图 1.1：机箱背面的 PS/2 与 COM 端口。

图 2.1：机箱背面的并行端口。

表 1.1：不同端口功能总结

我们将时间快进到上世纪 90 年代的初中期，越来越多的用户希望增加 PC 的外设。在端口选择方面，如上所述，用户遇到了不少问题。此外，外设连接多种多样，这也给普通用户制造了麻烦。大多数人不知道使用哪种端口，也不了解各端口性能的局限性。在此情况下，部分业界领先企业在Intel 的带领下开始一起定义新的通用 PC 外设连接标准，旨在取代所有传统连接标准，解决以上不足问题。

他们定义了一种简单的四线接口，其主要目的就是简化 PC 用户的使用。这种标准定义了一种点对点、主机到目标的架构。在规范中还包括了 USB 集线器设备的定义，这样就能支持总线扩展，能连接到更多的 USB 目标设备。这一标准制定的目的，就是简化外设与 PC 的连接，增加 PC 支持的外设数量，同时确保用户根本不必考虑到底该使用什么接口。此外，通过定义主机到目标的架构，目标实施的成本也能降低，因为大多数连接处理工作都由主机来完成，即通常用PC中的 CPU 控制进行。

如前所述，USB 是一种以主机为中心的总线，换言之，主机必须启动包括接收和发送在内的所有传输。该规范定义了三种基本的设备类型：一是主机控制器；二是集线器；三是功能设备（也称作外设或目标设备）。以下我们将详细介绍这三类设备。除了这三种基本类型之外，我们还定义了另外两类设备。一是复合设备，即同时包括集线器和集成式外设的设备；二是组合设备，即同一设备集成多种类型外设功能的设备。

物理互连采用多层星形拓扑（见图 3.1），集线器位于每个星形连接的中心。每个连线段(wire segment)是主机到集线器、主机到功能设备、集线器到集线器、集线器到功能设备间的点对点连接。由于集线器时序限制和线缆传输时间，因此所允许的层数最多为 7 层（包括根层(root tier)）。请注意，在 7 层中，主机到任何设备的通信路径内只能支持 5 个非根层集线器。复合设备（见图 4.1）包括两层，因此如果它连接在第 7 层上就不能工作。只有功能设备能在第 7 层上工作。USB 系统中设备所用的寻址技术使一台主机最多可连接 127 台设备。这 127 台设备可采用任意集线器或外设组合。这 127 台设备中包括两台或更多复合设备或组合设备。

图 3.1：多层星形拓扑的物理互连

在制定规范时，我们应确保任何 USB 系统中只有一台主机。USB 规范不旨在作为一种网络架构，它的目的就是实现外设到 PC 的简单互连。主机可以是硬件、固件或软件的组合。目前电脑中最常见的 USB 主机实施方案是所谓核心逻辑芯片组的一部分。这种主机控制器设备采用 PC CPU 的计算功能，用系统存储器支持数据存储与移动，并通过 PC 操作系统实现整体实施。所有主机都必须在系统中集成根集线器。主机主要负责以下工作：

·                             检测 USB 设备的外接与移除

·                             管理主机与 USB 设备之间的控制流程

·                             管理主机与 USB 设备之间的数据流程

·                             收集状态与活动数据

·                             为外接的 USB 设备供电

·                             USB系统软件

·                             管理主机与设备间以下五个方面的互动情况

o                                                设备列举与配置

o                                                同步数据传输

o                                                异步数据传输

o                                                电源管理

o                                                设备与总线管理信息

大多数操作系统现在还包括一系列“类驱动程序”，可便于外设的连接。类驱动程序使外设厂商能提供操作系统软件原生支持的产品，这样就节约了开发驱动程序的成本，并能为新的主机系统提供驱动程序，而且新的存储设备推出后，外设直接就能支持驱动程序。大多数操作系统支持的一些常见的类驱动程序，其中包括音频类、人机接口设备 (HID) 类、影像类、海量存储类、打印机类以及视频类等。目前许多厂商都利用上述类驱动程序来实现产品功能，不过他们同时也提供定制驱动程序或应用软件，以支持类驱动程序规范之外的更多功能。

最简单的方法，就是将 USB 集线器设想为一种分离器和中继器的统一体。集线器提供USB 设备与主机之间的电子接口。集线器直接负责支持 USB 的众多属性，给用户提供友好的界面并避免遇到复杂的使用问题。除为主机实施提供接口外，集线器还能够提供更多接口（充分发挥分离器功能），而且还能将上游端口（连接到主机）上的数据传输到下游端口（连接到目标设备），从而发挥中继器的作用。集线器负责检测下游端口上的连接和断连事件，并向主机报告有关信息。集线器必须能支持下游端口上连接的任何速度规范的各类 USB 外设（详见以下有关内容）。集线器还必须能够检测并恢复由于目标设备错误状态(error condition)造成的任何总线故障。

此外，集线器还负责管理下游端口的供电，向主机报告供电问题，并向用户发出通知。有关规范制定了两种集线器供电类型，一种是总线供电；一种是自供电。

总线供电集线器从上游端口获得所有电力，不过加电时只能从上游连接获得最大 100mA 的电流，经过配置，最终获得的电流不超过 500mA。全面配置后，要在集线器、不可移除的功能设备（复合设备）及外部端口间分配电力。总线供电集线器需要为每个下游端口提供 100mA的电流，这样，在总线供电集线器上，能给下游供电的外部（用户可以直接使用的）端口不能超过 4 个。由于每个端口电流为 100mA，共有四个端口，那么下游连接的可用电流就是 400mA。要是再增加第五个下游端口的话，这个端口也需要100mA的电流，这就造成集线器本身没有电流可用了。总线供电集线器可以提供 4 个外部下游端口以及一个或更多内部端口，但前提是集线器本身以及连接到内部端口上的所有功能设备的耗电总和不到100mA。

自供电集线器从局部电源获得电力，比如墙上变压器或其它局部电源。其电力并不来自上游连接。自供电集线器可从上游端口获得最高 100mA 的电流，这样在集线器其它部分断电时，该端口也能发挥作用。自供电集线器应为每个下游端口提供 500mA 的电流。尽管规范并没有限定自动电集线器可支持的下游端口数量，但在实践中，通常不超过7个端口，这主要是出于供电方面的考虑。7 端口集线器的电源电流必须超过3.5A（共 7 个端口，每个端口电流500mA）才能确保集线器正常工作。

我们大多数人都是通过 USB 外设熟悉 USB 的。目前常见的 USB 外设包括键盘、鼠标、打印机、闪存棒、外部驱动、便携式音频播放器和数码相机 (DSC) 等。就规范而言，外设可分为执行特定功能的逻辑或物理外设。从最基本的角度说，外设可以看作是单个的硬件组件，如闪存设备。从高级角度说，外设可以是执行功能的一系列硬件组件，如包括键盘、生物识别指纹读取器和滚动设备在内的人机接口设备。

规范定义了外设支持的四种数据传输。控制传输用于为主机提供有关外接设备类型与功能的信息。所有设备都必须支持控制传输。另外三种传输类型分别为中断传输、批量传输及同步传输，可根据应用的数据处理方式进行选择。如果外设需要被主机定期轮询，检查是否需向主机发送数据，那么就应采用中断传输。键盘、鼠标和游戏杆就是采用中断传输的典型设备；如果数据完整性非常重要，而不太在意数据时延，那么就要用批量传输在主机系统与外设之间传输数据。此外，这种传输还支持纠错功能，在检查到错误时可以重新传输。打印机、扫描仪和存储设备都是采用批量传输机制的典型设备；同步传输用于“实时”数据的转移。在这种情况下，数据流比数据的准确性更为重要，同步传输不支持纠错和重新传输功能。网络摄像头、扬声器和扩音器等是采用同步传输机制的典型应用。

与集线器一样，这种规范也定义了两种通用外设电源类，分别为总线供电外设和自供电外设。总线供电外设进一步分为低功耗总线供电功能设备和高功耗总线供电功能设备。在两种情况下，设备所有用电均来自上游连接。低功耗总线供电设备随时都会获得 100mA 电流，而高功耗总线供电设备可在配置前获得 100mA电流，在工作期间则能得到规范要求的最大 500mA 电流。自供电功能设备的条件限制与自供电集线器一样，其电力并不来自上游连接。自供电功能设备可从上游端口获得最高 100mA 的电流，这样在功能外设其它部分断电时，该USB 接口也能发挥作用。所有其它电力都用外部电源提供。此外，外设必须支持低功耗休眠模式，使电流消耗低于 500uA，这样计算机就能将设备从挂休眠模式中唤醒。

近期，支持 USB 功能的电池供电设备广泛推广，主要是便携式媒体播放器大幅流行，这就向 USB电源管理提出了新的挑战。如果设备通过 USB 连接充电的话，那么这一问题就会变得尤其突出。电池供电设备必须遵循标准外设的规则。这种设备如何报告自己，将决定它们能从上游连接获得多少充电电流，也包括能否支持休眠模式。这方面的技术挑战甚至高过电池完全放电后的设备需要高电流来启动充电方面的难题。

现在，您已经了解了USB规范发展的一些历史背景，接下来我们不妨来看看该技术目前的发展状况。目前常用的标准为USB 1.1、USB 2.0、USB-OTG、WUSB 和 OTG。在许多情况下，这些不同标准会使工程师和最终用户产生混淆。最早的 USB 1.0 规范发布于 1996 年 1 月，定义了两种设备速度，即 1.5 Mbps 的低速 (LS) 和 12 Mbps 的全速 (FS)。该规范在 1998 年 7 月经过修订，随后发布了 USB 1.1 规范，实现了较大升级改进。2000 年 4 月，该规范又进行了大规模更新，随后发布了 USB 2.0。这一版本也是现行版本，全面超越了 USB 1.1。USB 2.0 的优势在于，它能全面向后兼容于 USB 1.1 设备，同时它也增加了需求极高的第三种设备速度，即480 Mbps的高速，同时也能继续支持低速和全速模式。2003 年 7月，USB OTG 文件发布，定义了面向便携式电池供电设备的新一类设备。最后，于 2005 年 5 月，发布了 Wireless USB 规范。

USB 应用厂商论坛 (USB-IF) 建立了认证徽标许可证计划(Certified Logo License Program)，确保提高最终用户的使用体验。为了有权使用认证徽标，设备必须通过 USB-IF 的认证测试，其中包括规范兼容性测试和操作性测试。对标准的 USB 设备来说，共有两种认证徽标，第一种（见图4.1）用于最高数据传输速度支持低速或全速标准的设备；第二种（见图 5.1）用于最高数据传输速度支持高速标准的设备。

图 4.1：最高数据传输速度支持低速或全速标准设备的认证徽标

图 5.1：最高数据传输速度支持高速标准设备的认证徽标

USB OTG 是 USB 2.0 规范的补充标准，定义了一种新的设备类型。这类设备旨在扩展外设产品的功能，增加了有限的主机功能。如这一标准的名称所示，该规范的最初目标就是面向便携式设备，让最终用户在没有电脑的时候也能实现数据共享。比方说，在两部 PDA 或手机间共享联系人信息，在 DSC 和拍照手机之间共享照片，或者直接从 DSC 或 PDA 进行打印。

和标准的 USB 一样，OTG 也是一种点对点、以主机为中心的总线，不旨在成为一种点对点网络连接。OTG 产品连接到 PC 等标准的 USB 主机时，必须作为标准的外设工作。OTG 补充标准要解决的主要问题，就是设备在作为主机时能发挥什么作用。就像标准的 USB 主机端口（或下游集线器端口）一样，OTG 主机必须提供电力。不过，所需的供电电流仅限于 8 mA。与 PC 中的标准 USB 主机不同，OTG 设备不能为未识别设备简单添加驱动程序。因此，OTG 设备必须提供所谓的目标外设表，这样，设备制造商就能明确到底支持哪些设备。该规范还要求提供某种消息显示功能，这样就能告诉最终用户是否插入了不能支持的设备，该设备不能工作。这种消息可以通过简单的 LED 显示，也能以复杂的文本方式显示。此外，OTG 补充标准还定义了两种新协议。主机交流协议 (HNP) 定义了主机和设备角色间动态转换的方法，而会话请求协议 (SRP) 则提供了主机设备自行决定总线供电开关的方法。

与标准的 USB 一样，USB-IF 也为 OTG 设备提供了认证徽标许可证计划 (Certified Logo License Program)。图 6.1 显示了最高数据传输速度支持低速或全速标准的 OTG 设备认证徽标，而图 7.1 则显示了支持高速 OTG 连接的设备认证徽标。

图 5.1：OTG 设备的认证徽标许可证计划

图 6.1：高速设备的认证徽标许可证计划

Certified WUSB是 USB 规范的最新版本。它定义了一种无线接口，可以将有线 USB 连接技术的高速和安全性与无线技术的易用性相结合。Certified WUSB 将通过 WiMedia Alliance 开发的常见的 WiMedia MB-OFDM 超宽带 (UWB) 无线电平台来支持稳健的高速无线连接。过去几年来，已经推出了一些 WUSB 设备，他们采用专有的低带宽连接方式，主要面向键盘和鼠标等 HID 设备。这种连接与 USB-IF 开发和推广的 Certified WUSB 规范并不相同。此外，近期媒体还介绍了一种极具竞争力的 UWB 技术，正作为无线缆 USB 技术得到推广宣传。不过，这种技术也和 Certified WUSB 不同，需要采用一种极具竞争力的无线电技术。这两种实施方案互相之间并不兼容。UWB 技术提供了一种高带宽、低成本、低功耗的解决方案，设备能够实现小型化。Certified WUSB 的优势则在于：

·                             速度：

o                                                3 米连接距离时速度高达 480Mbps

o                                                10 米连接距离时速度高达 110 Mbps

·                             电源管理：

o                                                支持休眠、聆听、唤醒和节能模式，确保只有用户建立连接时才耗电。

·                             安全性：

o                                                通过内置协议和认证程序实现最佳数据安全性。

o                                                在传输过程中进行数据加密。

·                             易用性：

o                                                像有线 USB 连接一样易于安装与设置，而且省去了线缆连接的繁琐。

·                             向后兼容性：

o                                                与所有传统有线 USB 设备实现互操作性。

USB-IF 也提出了 Certified WUSB 产品的认证徽标许可证计划，最终用户通过该徽标可识别出通过互操作性和兼容性认证的产品。图 7.1为 WUSB 徽标。

图 7.1：WUSB 徽标

通用串行总线 (USB) 外设接口已广泛应用于所有个人计算平台及众多工业和基础设施平台。不过，与此同时，人们对适用于给定应用的 USB 版本，如 USB 1.0，USB 1.1，USB 2.0，On-the-Go (OTG) 或 WirelessUSB (WUSB) 等，还不太清楚。随着 USB 1.1 规范的发布，以及 Microsoft 操作系统为这一标准提供原生支持，这使得 USB 主机接口在 PC 中快速普及，同时也使众多外设由传统接口，如串行 (RS-232)、PS-2（鼠标和键盘）和并行端口（打印机使用的 Centronix 和 IEEE-1284）等，向这种新型通用接口标准过渡。

随着 USB 2.0 规范的发布，使高速连接成为可能，USB 外设的数量出现激增，从而大幅改善了最终用户的使用体验。本文上半部分讨论了 USB 标准的发展，下半部分将讨论常见的应用，并介绍给定应用采用哪种 USB 标准最好。

我们不妨先来简单看看不同 USB 版本之间的差别，以此作为本文的基础。目前常用的标准为 USB 1.1、USB 2.0、USB OTG 和 WUSB。在许多情况下，这些不同标准会使工程师和最终用户产生混淆。USB 2.0 是 USB 1.1 的官方正式升级版，提供了如下三种数据传输速率：

·                             1.5 Mbps 的低速 (LS)

·                             12 Mbps 的全速 (FS)

·                             480 Mbps 的高速 (HS)

前两种速率的定义与 USB 1.1 完全相同。USB OTG 是USB 2.0 规范的补充，定义了新的设备类型。此外，还扩展了外设产品的功能，增加了有限的主机功能。OTG 设备能支持 USB 2.0 支持的所有速率。Certified WUSB 是最新的标准扩展版，定义了无线接口，将有线 USB 技术的高速和安全性与无线技术的易用性相结合。Certified WUSB 通过 WiMedia Alliance 开发的常见的 WiMedia MB-OFDM 超宽带 (UWB) 无线电平台来支持稳健的高速无线连接，连接距离为 3 米时最高数据传输速率可达 480 Mbps；连接距离为 10 米时最高速率可达 110 Mbps。每种版本都有其优缺点。通过全面了解每种技术的成本、功耗及吞吐能力，有助于我们确定哪种标准最适合给定的应用需求。

低速 USB 的最大优点就是低成本、低功耗。当数据传输速率为 1.5 Mbps 时，尽管收发器的速率很有限，但成本和功耗也很低。其明显的缺点就是数据吞吐能力不高。如果数据传输速率为 1.5 Mbps 的话，那么实际数据吞吐能力还不到 1 Mbps，因为 USB 规范本身还会有一些开销。与之相对的高速 USB 数据规范，其数据吞吐能力很高，但同时也会导致成本增加，功耗大幅提升。实际 USB 控制器的成本高于全速或低速 USB。电路板实施的成本还会更高，因为相比于 12 Mbps 乃至更低的速率，当速率高达 480 Mbps 时，确保传输质量就是一个很大的技术问题了。

全速 USB 填补了低速和高速之间的空白，其数值处于三种矢量之间。

由于 USB OTG 可采用这三种速率中的任何一种，因此在比较 USB OTG 的不同速率版本时，上面讨论的问题同样适用。我们不妨将 OTG 与标准有线 USB 进行比较。USB 规范最初的目的之一就是通过主机而不是外设完成大部分处理工作，从而实现低成本的外设连接方式。这就决定了 USB 以主机为中心的本质，从而有助于大幅降低外设连接实施方案的成本。处理功能的成本主要由 PC 承担，而不是由外接到总线的不同外设承担。OTG 改变了这一机制，在标准的 USB 外设上集成了有限的主机功能，不管这种外加的功能多么有限，都会提高外设的成本。成本的提高不仅涉及到支持主机功能的 USB 控制器硅技术，还涉及到整个产品，其中包括与主机功能相配套的更高的存储器与处理功能要求等。USB OTG 的一大优势在于，它能在没有电脑的情况下实现 USB 设备的数据共享。我们在稍后讨论有关应用时将给出具体实例和案例研究。

Certified WUSB 相对于有线 USB 的最大优势在于易用性，无需线缆即可在电脑与外设间进行数据传输。此外，在不用 USB 线缆的情况下，您还能直接为许多外设供电，所需设备可通过标准的 AC 适配器或电池自供电。

人机接口（或输入）设备 (HID) 应用的实例包括鼠标、跟踪球、键盘、游戏杆和游戏控制器等。通常，这些设备都采用中断数据传输方式，并通过主机定期轮询来确定其是否要向活动应用提供数据。鼠标数据轮询的时间间隔通常为 8ms，可传输 32 位数据；键盘的轮询间隔与鼠标相同，可传输数据为 64 位。更高级一些的游戏杆和游戏控制器（带多个按键，支持力反馈技术）轮询间隔也是 8ms，每次请求发送 6 字节数据，这样最大数据吞吐能力约为 8 Kbps (0.008 Mbps)，比低速传输速率 1.5 Mbps 的标准要低很多。不管人们打字或按键的速度有多快，都不会超过低速 USB 标准的支持范围。因此，HID 设备的带宽消耗很低，近期还不会超出几个 kbps 的范围。这种应用低速标准的设备有助于降低成本。

这种设备一般也不会支持主机功能，这是因为添加主机，同时相应要提高处理功能，从而会增加成本，因此这种设备也不会成为全速 OTG 设备。这种设备非常适合作为支持 OTG 设备的外设，比方说便携式键盘，在没有电脑的情况下，通过该键盘可向个人数字助理 (PDA) 或移动手持终端中键入内容。不过在这种情况下，我们要考虑当前 USB OTG 规范规定的 8 mA 电流能否满足有关应用的要求，是否需要采用电池。

无线鼠标和键盘已问世多年。事实上，我正用这种设备来输入本文。每种设备都采用制造商专有的无线解决方案，都需要无线收发器插入标准 USB 端口，以实现到 PC 的连接。在众多情况下，除非为新设备购买或添加新的收发器，否则我们不能简单更新鼠标或键盘，也不能在系统中添加更多无线 HID 设备。通过采用 Certified WUSB 支持的标准化实施方案，我们能解决上述问题。任何新的 Certified WUSB 键盘、鼠标或游戏杆都能像标准的有线 USB 外设一样直接连接到系统。就近期而言，我们还需要外置 Certified WUSB 收发器来支持连接功能，不过在今后几年，这种 Certified WUSB 收发器将会集成到电脑中，这样就不再需要外置收发器，从而进一步降低了实施外设连接的成本。HID 设备采用无线解决方案的一大劣势在于，设备需要电池。有线解决方案则能从 USB 线缆获得所需的所有电力。

海量存储类 (MSC) 设备包括外置硬盘驱动器 (HDD)、DVD-RW、CD-RW、闪存卡读卡器、ZIP 驱动器、磁光盘 (MO) 驱动器及 USB 闪存驱动器等。在选择 USB 速率时，要确保 USB 连接不会成为数据传输的瓶颈。举例来说，图 1 显示的是假定没有瓶颈时数据传输所需的理想速率，我们由此可以看到不同目标应用需要哪种 USB 速率。如果我们假定带宽使用为理想状态（无开销），我们就可以分析出在驱动器和 PC 之间传输 1 GB 数据所需的时间。

图 1. 理想状态下传输 1GB 数据所需的时间

显然，理想带宽是不现实的。因此，图 1 中所列的时间要快于在实际应用中的情况。在本例中，只有高速 USB 标准才适合要求。那么接下来的问题是：Certified WUSB 或 OTG 等非标准 USB 实施方案适用于这种应用吗？

USB 闪存驱动器本身体积很小，可以方便地从有线 USB 连接获得电力。因此，这种应用不太适合无线应用。如果用电池电池供电，就会提高成本，同时也不会给最终用户带来什么额外的功能。如果闪存驱动器能支持 OTG 会话功能的话，似乎还有些用，不过也这会增加成本，相对于有限的功能增加来说，反而得不偿失。

就那些始终要连接到电脑的“固定式”驱动器而言，有线 USB 的连接更适用。用户很可能通过墙上电源连接供电，因为这样最适合该类型驱动器的供电需求。如果设备是“移动”或便携式的，那么 OTG 或 WUSB 可能更为适用。通常，移动设备都不是独立的设备，而是具备某种消费娱乐功能的设备，例如 MP3 播放器、数码相机 (DSC) 等，也可能是通过 HDD 扩展存储容量的移动电话/PDA 等。无线连接非常适用于上述这些设备。最终用户只需走到办公桌前，将设备放在 PC 边上，由于众多设备都采用非标准的 USB 连接器，因此立即就能实现文件与 PC 的同步，不用再为找线缆连线而头疼了。OTG 也是一种合适的选择，特别适用于相机和打印机的互连，也能让移动电话/PDA 彼此通信。

不管分辨率有多高（从 VGA 至 800 多万像素），数码相机 (DSC) 的特点都很相似。目前，所有相机都通过存储卡来存储数码照片，包括 CF卡、SmartMedia 和 MediaStick 等，当然也有的通过嵌入式硬盘驱动器来存储。所有 DSC 都采用电池供电，因此除了电池充电外，通常不需要通过 USB 连接获得电力。此外，这些设备可脱离计算机工作，只有在进行最后数据图形的编辑、打印、存储或传输时才会连接到计算机。

相机的存储介质类型并不重要，存储量才是最重要的。如果相机存储容量较小，那么数据很快就会占满空间，从而需要经常传输。传输频率高，就需要经常清空存储空间，这样用户才能继续使用相机。如果相机存储容量较大，其使用模式就有些像此前说过的外置存储设备，关键是要确保 USB 连接不会成为在相机和电脑间照片传输的瓶颈。与外置存储设备一样，数据管道越大，性能就越高。因此，高速 USB 显然是最佳选择。对更加关心成本的低端相机来说，要是存储量不大，也可以采用全速标准来满足其低成本要求。

DSC 这种终端设备非常适合采用 OTG 技术。如果能到店里找台打印机，不用连接电脑就能直接把相机中的照片打出来，那确实是非常理想的应用方式。不过问题是，所选的相机和打印机是否在彼此的目标外设列表上。支持 OTG 功能的 DSC 会尝试采用 USB 设备的“打印机”类驱动程序，但如果打印机需要特殊驱动程序才能打印高质量相片的话，这就会产生问题。相反，如果让打印机作为主机，这样打印机就能支持海量存储外设，相机与打印机线连就像相机与PC连接一样，从而可以实现对相机的存取。现在许多照片打印机都内置闪存读卡器，这对支持 OTG 功能的相机和照片打印机市场都产生了较大影响。

考虑到 DSC 的便携性，在向 PC 传输照片以清空相机的存储空间时，Certified WUSB 似乎也是一种理想的选择。不过唯一潜在的问题是，在 DSC 中采用 WUSB 标准，会增加成本，而 DSC 本身对成本控制是非常重视的。不过，我们可以通过这种技术省去连接线缆的麻烦，而且相机本身也不用再配备 USB 接口，这或许会抵消支持 WUSB 标准所带来的成本问题。显然，如果 WUSB 还不能做到像目前有线 USB 一样普及的话，那么取消 DSC 上的 USB 连接器就不可能实现。

与 DSC 一样，便携式音频或视频播放器也涉及到存储类型与容量的问题。存储类型有两种，一是硬盘存储，二是闪存存储。就用户的同步应用而言，前面关于 DSC 的问题同样也适用于这种设备。对这种设备而言，只有高速 USB 才是真正最适用用的解决方案，不过对极低端的设备而言可能例外。DSC和便携式媒体播放器 (PMP) 的唯一本质区别在于，PMP 可能在回放中要求支持向 PC 同步实时传输数据流，或者采用 OTG 技术来直接将实时数据流传送至扬声器／耳机系统。我们会看到，除了极高端的新一代音频格式之外，全速 USB 更适用于同步音频流应用。不过，在处理实时视频流时，频宽会猛增到 30 Mbps 左右，因此需要高速连接。与 DSC 类似，这种设备也很适合采用 OTG 和 WUSB 连接。在此情况下，目标外设为扬声器或耳机，而不是打印机。

这种设备的使用模式与DSC及PMP比较类似。我们同样要考虑，需要多大存储容量？随着这种设备新增 MP3 播放器、百万像素相机等更多功能，以及联系人数据库的规模增大，其存储容量也在迅速扩大。随着存储容量的扩大，同步连接也需要采用高速标准。与 DSC 和 PMP 一样，移动电话和PDA 也非常适合采用 OTG 技术。它们既是率先支持 OTG 功能的设备类型之一，同时也具备 WUSB 实施方案的所有主要特性。这类设备很可能成为率先支持原生 WUSB 功能的设备，而不是通过外接无线适配器来支持。

与海量存储设备一样，打印设备首先要考虑的问题也是，数据吞吐能力的瓶颈会发生在什么地方？激光打印机和喷墨／气泡喷墨打印机的数据吞吐能力要求不一样。包括数据压缩等在内的其它打印机参数也会影响频宽要求。不过，这些特性都会影响成本，而成本对消费类设备的影响是至关重要的。

喷墨／气泡喷墨打印机是消费者最常用的设备。因此，这种设备对成本要求也是最敏感的。为了尽可能降低成本，通常由 PC 负责数据压缩工作，但这要求设备提供更高的数据吞吐能力，特别在发送彩色文件时要求更高。高速 USB 接口可支持打印机最快打印速度（以每分钟打印页数为单位）。对不带压缩引擎的打印机而言，理想频宽可达到 300 Mbps；而对带有数据压缩引擎的打印机来说，理想频宽则可降至 10 Mbps 左右，不过这会增加打印机的成本。因此，对带有压缩引擎的喷墨打印机来说，消费者尽管可以采用全速 USB 连接，但成本方面还是不合算。因此，高速 USB 连接是更合适的选择。由于本市场领域中成本非常重要，因此许多打印机仍然采用全速标准，每分钟打印的页数都不多，不过仍然基本满足消费者的价位需求。

激光打印机面向较高端的市场，因此在成本上要求不是很严格。这就可以在打印机中集成压缩功能，以便分担部分数据处理任务。通常说来，激光打印机的打印速度要高于喷墨打印机。因此，我们需要高带宽的高速 USB 接口来满足有关需求。

要是在成本敏感型喷墨打印机市场中实施 Certified WUSB 的话，很可能行不通。而激光打印机市场倒是能够承受这部分增加的成本。通常来说，激光打印机要满足 SOHO 办公应用的需求，更需要在打印机和笔记本电脑之间实现方便的连接。

若为上述两种打印机添加 OTG 功能，它们便能直接打印 DSC 或 PDA 等便携式消费类设备中存储的内容，特别适合更高端的打印机的需要，这种打印机甚至开始配置小型数码显示器，不仅能显示图片和文件，而且还可进行图文编辑。尽管这在连接到 PC 时没什么用，不过对两用 OTG 设备来说还是非常有用的。

网络摄像头通常分为两类，一是采用压缩技术的设备，二是发送原始数据流的设备。这两种类型的设备都支持同步数据流。第一种设备通常以每秒 30 帧的速率对未压缩视频数据进行播放，分辨率为 640x480 百万像素；第二种设备以每秒 24 帧的速率进行播放，分辨率为 1024x768，支持 RGB-24 (24 位，数百万种色彩)。此外，大多数网络摄像头通过总线供电。与喷墨打印机一样，这种设备不同品牌差别也不大，都是价格敏感型产品。表 1 和图 2 显示了使用不同摄像头对非压缩数据的带宽要求。

表 1. 网络摄像头的带宽要求

图 2. 网络摄像头的带宽要求

图 2 显示出，在使用非压缩摄像头时，必须采用高速 USB 标准。即便摄像头采用压缩数据，吞吐能力仍然要达到 30 Mbps 乃至更高。因此，这时我们必须使用高速 USB 连接。

USB OTG 不适用于网络摄像头应用，摄像头功能无需作为主机使用。同样，摄像头也不适合作 OTG 设备的外设，因为摄像头会要求 OTG 主机提供超过 8mA 的电流，而且这样一来会增加外接电源或要求采用电池。

同样，就 Certified WUSB 而言，功耗和成本问题也会使摄像头不适于采用 Certified WUSB 连接。摄像头的平均售价约为 60 至 100 美元。从经济角度来说，如果采用WUSB 硅技术将使摄像头的成本相应提高5至10美元甚至更高，这是不可行的。此外，要支持 WUSB 的话，摄像头制造商还必须提供 AC 电源转换器，这不仅会提高成本，而且还会让 WUSB 的便捷优势大打折扣。

我们在考虑扬声器的同步带宽要求时，首先要做的就是了解其支持哪种音频格式，具体包括杜比数码 (AC-3)、DTS 数字环绕音响、THX 和新一代非压缩音响等。杜比数码是一种 5.1 声道的环绕音响格式，也是 DVD 视频的标准。DTS数字环绕音响也是一种 5.1 声道的环绕音响格式，是一种能够与杜比数码相媲美的类似技术。THX Surround EX 也称作杜比数码 EX，指的是支持最新 6.1 声道环绕音响格式的新版杜比数码，它通过新增位于观众身后的一个或两个扬声器，改进了原先的 5.1 声道效果。此外，还有几种音频格式也能与杜比数码相提并论，如顶级扬声器可支持 24 位、每声道 96kHz 的非压缩数据流。表 2 总结了不同格式的带宽要求，其中唯一超越全速 USB 支持能力的格式就是新一代非压缩音频。

表 2. 音频带宽要求

扬声器似乎不太适合作为全面的 OTG 设备，不过它们可以作为具备OTG功能的外设，支持音频或视频播放器，其中包括如 MP3 或便携式 DVD 播放机器等。对 WUSB 而言，重点主要是高端扬声器，它们能承受更高的材料清单成本(BOM)。这种扬声器可以作为 PC 的高端游戏音响系统，也能作为家庭娱乐系统的低音炮和扬声器组合。一般 PC 扬声器（低成本扬声器，通常都随 PC 或其它低端专用产品配套提供）不会采用这种标准，因为这会提高成本，消费者也不希望为性能平平的无线扬声器多掏腰包。

相比于扬声器，耳机的带宽要求更容易被满足，全速 USB 完全可以满足有关要求。通常说来，耳机只需要 128 kbps 的带宽来支持两个高质量音频流。耳机不必支持 OTG 功能，不过作为目标外设，还是很不错的解决方案。高端耳机（平均零售价在 199 美元以上）可采用 WUSB 技术连接到 PC，支持 VoIP 等应用，也可支持 PDA、移动电话等。

为了真正评估速率需求，我们应了解哪些因素将推动速率增长。上述终端设备的发展呈现两大趋势：一是内容越来越丰富，二是存储容量越来越大。正如蛋和鸡的道理，我们说不清楚到底是丰富的内容推动了存储容量需求的增长，还是存储容量的增长催生了消费者对内容丰富性的需求。

内容的丰富性突出表现在数码相机市场上。1998 年，DSC 的平均分辨率为 100 万像素。2004 年为 500 万。现在，像素已接近 1000 万。如今，移动电话也具有支持 130 万像素的拍照功能，今后几年将向 500 万像素发展。没有任何迹象表明这一发展趋势会减速。

同时，DSC 正从光学变焦（需要庞大而昂贵的机电子系统）向数码变焦发展。数码变焦推动了更高分辨率的需求，可支持 DSC 用户在已捕获到的数码图像基础上进行放大，同时又能保持图像原始的高清晰度。这两种趋势均要求具备更大的存储容量并支持更大图像文件的传输。JPEG 拍照图像的平均大小已从 1998 年的 100 KB 上升到了目前的 4 MB。此外，还需要频繁地清空数码相机的存储空间。用户希望将内容从相机中移走，以释放更多剩余空间，接着又会很快被用完。

内容的丰富性还体现在采用了基于硬盘驱动的便携式媒体播放器上。该播放器包括 MP3 和视频播放器。大多数内容都应支持途中欣赏。电影正从标清（需 5.7GB 的存储空间）向高清格式过渡（25 GB 的存储空间）。有了 40GB 的存储空间，MP3 播放器就能存储 1 万首歌曲，这一功能正在逐步推广。

存储容量的发展超过了过去几十年的技术发展速度，甚至超过了摩尔定律。就存储容量而言，我们要考虑到硬盘驱动器 (HDD) 和闪存领域的技术发展趋势。1996 年，普通 HDD 直径为 3.5 英寸，转速为 3,600 RPM，存储容量为 540 MB。2004 年，普通 HDD 直径为 2.5 英寸，转速为 9,600 RPM，存储容量达 160 GB。HDD 的尺寸也在不断缩小，如今有些容量达 5 GB 的硬盘只有 1 英寸大小，甚至容量为 4 GB 的硬盘，其尺寸仅为0.85 英寸。这种新型 HDD 面向小型化便携式应用，其中包括移动电话和 MP3 播放器等。考虑到上述因素，从发展趋势上讲，我们可以预计，在保持当前 104% 的年容量增幅情况下（这是摩尔定律的两倍），到 2008 年，普通硬盘的平均容量（不是最高容量）将达 2,750 GB，直径将为 2.1 英寸，转速将达 15,700 RPM。闪存首次出现于 1989 年，容量为 1 MB，到 2004 年，闪存容量达到了 1 GB。若能继续保持这种发展态势，则到 2008 年，闪存芯片将支持 6.4 GB 的容量（存储容量年增长率达 58%，仅次于摩尔定律）。

我们从图 3 可以分析出在电脑和存储设备间传输 20 GB 数据所需的速率，在此我们假定带宽效率为 50%，设传输时间分别为 10 秒钟、1 分钟和 5 分钟。通常，多数用户对移动设备传输时间的忍耐极限为 5 分钟，而且大都希望传输时间为一分钟甚至更短。很少有用户会将移动设备中的全部内容都发送出来。因此，我们不妨估计，今后 USB 提速改进时可将 5 Gbps 作为一个目标。图 4 显示了在假定带宽效率为 50% 的情况下，传输不同尺寸的数据图像所需的时间。

图 3. 在电脑与存储设备间传输 20GB 数据所需的速率分析（假定带宽效率为 50%，设传输时间分别为 10 秒钟、1 分钟和 5 分钟）。

图 4. 传输不同尺寸数据图像所需的时间（假设带宽效率为 50%）。

Dan Harmon 过去六年来一直担任 TI 通用接口连接产品部的产品线市场营销经理。他在 TI 工作了 20 年，设计了夜视 FLIR 系统，还曾担任过 CCD 影像产品部的摄像头设计工程师，随后担任 CCD 产品市场营销工程师。他自代顿大学 (University of Dayton)获得电子工程学士学位，并自得克萨斯大学阿灵顿分校 (University of Texas in Arlington) 获得电子工程硕士学位。Dan 的电子邮件为：ti_danharmon@list.ti.com。