USB之无线化、对接化、内连化发展

USB技术演进
USB自1996年发表以来至今，其技术发展可分成三个时期：1996年～2000年的成熟期、普及推广期，2000年～2004年的向IEEE 1394看齐、追赶期，而2005年后至今则是超越IEEE 1394，或与IEEE 1394各行其路的时期。

第一个时期简言之即是USB 1.x（包含USB 1.0、1.1）的阶段，这个阶段USB快速低价化、普遍化，但是在速率与体质上仍无法与IEEE 1394媲美，所以才有2000年之后的各项新提升计画，包括将传输率提高40倍的USB 2.0，以及让USB装置直接相互连接的USB OTG，因为USB 1.x的传输率仅12Mbps，无法与IEEE 1394a的400Mbps相比，而USB 2.0让USB传输达480Mbps，以此来超越IEEE 1394a，且USB 2.0也被称为HI-SPEED USB。

由于传统USB仅允许各USB周边装置与PC连接，不允许各USB周边装置跳略过PC而自行互接，然IEEE 1394却可以，为了弥补此一「体质」的不足，因而增订了USB OTG。当然，USB OTG也是为了因应日渐增多的手持式装置，为了让各手持行动装置能在户外、无携带PC/Laptop时仍能够相互传递资料，对此也需要订立USB OTG。此外，USB OTG也与USB 2.0相互唿应，以USB 1.x的速率进行互接的USB OTG即称「USB On-The-Go」，而以USB 2.0速率进行互接的则称为「HI-SPEED USB On-The-Go」。

到了2004年，由于全球的USB用量已到达相当可观的地步，光是USB装置用的接线、缆线就已经突破20亿条，长久下去将会使接线到达空前紊乱，因此USB去线化、无线化的声音开始出现，自此提议出Wireless USB（WUSB）。另外，为了让针对USB硬件所开发的韧体、软件等投资达到更大化的发挥效益，USB-IF也增订了内接用的USB，让USB从过去的外接铜缆线，转变成机内印刷电路板（PCB）上的铜箔线，使USB从机外装置间的互连，跨足延伸到机内晶片间的互连，此称为Inter-Chip USB（简称：IC_USB）。

当USB进入WUSB、IC_USB阶段后，可说是开始超越IEEE 1394，或与IEEE 1394分路而行，在无线化的进程上，WUSB比Wireless 1394（简称：W1394）更快速，目前W1394几乎没有动静。至于内连化的IC_USB，IEEE 1394并无相同的作法，相对的IEEE 1394朝车用的IDB-1394，以及不同传输实体介质的路线发展，例如用光纤（Optical Fiber）、塑胶光纤（Plastic Optical Fiber；POF）、Ethernet等线路来传输。（附註：IEEE 1394a为400Mbps，但之后订立的IEEE 1394b则可达800Mbps，仍领先今日USB 2.0的480Mbps，此外光纤化、塑胶光纤等新介质作法则在IEEE 1394c中拟定。）

随着USB 1.x/USB 2.0的成熟，USB技术的发展与推行重心，已经开始专往手持式运用的USB OTG/HI-SPEED USB OTG、Wireless USB、以及Inter-Chip USB。
Wireless USB
Wireless USB 1.0标准是在2005年5月12日正式发佈，它的实体层（PHY Layer）、媒控层（MAC Layer）是使用MBOA组织所订立的超宽频（UWB）技术，在PHY层、MAC层之上再搭建一层WiMEDIA Alliance所订立的聚合层（Convergence Layer，IEEE 802.15.3a），在聚合层之上再依据不同的无线传输应用而订立不同的协定因应层（Protocol Adaptation Layer；PAL），最后才将WUSB的通信建立于最上端，如此使WUSB运作。（附註：MBOA（Multi-Band OFDM Alliance）于2005年3月与WiMEDIA Alliance合併。）

一般而言，只要PHY层、MAC层等基础确立后，即可实现WUSB无线应用，而为了让日后的各种无线应用（特别是WPAN）能够直接共容互通，包括W1394、Bluetooth 3.0（使用UWB技术的Bluetooth）等，所以加插Convergence Layer与PAL，其他的无线应用只要一样具备与Convergence Layer介接的PAL，即可与WUSB相通。
　

Wireless USB透过协定因应层与聚合层的转化，即能与其他的无线应用
（如Wireless 1394、Bluetooth 3.0等）共容互通。
　

与其他无线应用互通只是其一，更受到重视的是WUSB的技术表现。目前，WUSB最远可达10m的传输距离，最快则可达到与USB 2.0相同的480Mbps速率。不过，480Mbps速率仅限3m距离内，3m～10m距离中速率会降至110Mbps。

此外，WUSB与传统USB相同，最多都可以连接127个装置，然更好的是：WUSB已经去线化，所以不需要使用集线器（USB Hub），所以连接拓朴也有所改变，过往USB是阶层式的星状连接（或可说是树状连接），而WUSB则是直接从PC端与各WUSB装置进行无线连通，属星状连接。

WUSB规格标准虽然成形，且未来的PC将尽可能预装配备WUSB的主控器，以利WUSB的推广普及，不过业界也很重视如何让现有PC也支援WUSB，因此提出了HWA（Host Wire Adaptor）与DWA（Device Wire Adaptor）等配接器，只要将HWA连接在现有PC的USB埠上，以及将现有实线式USB装置的接线接上DWA，如此HWA、DWA间即可用WUSB来互连运作，使现有实线USB透过转接升级成无线运作。这是为推行WUSB的一种过渡手法。

UWB的频谱跨佔3.168GHz～10.296GHz，并将此区间划分成5个波段群，除最后的第5个波段群只有2个波段外每个波段群内都有3个波段，总共14个波段，每波段占用528MHz频宽。一般而言，WUSB使用第1个波段群（3.168GHz～4.488GHz），第2～5个波段群为选用，如果有U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）则必须避用第2个波段群，甚至在不同国度与地区必须避开更多波段群，在美国5个波段群都可使用，但在欧洲就必须避开第2、5、及若干第4波段群的波段。此外，在日本、韩国也多半不允许使用第2及若干第3、5波段群的波段。
　

图中可见，美国、欧洲、日本、南韩等地对超宽频的频段开放程度，美国因FCC的规令而全面开放，
但美国之外的各国仍有若干程度的保留。
　

USB On-The-Go
USB OTG 1.0版是在2001年12月18日颁佈，之后在2003年6月24日推出修订的USB OTG 1.0a，更之后在2006年2006年4月4日提出1.2版。USB OTG之所以能让2个USB装置直接互接对传，其实是以权宜方式来实现，将两个装置中的其一暂时乔装、转变成主控端（Host），让另一个USB装置误以为自己是连到Host，以此来进行传输。暂时乔装成Host的USB装置，之后仍可与PC连接，与PC连接时会恢复成原有的装置型（Device）受控角色，这种既可为Host也可为Device的装置被称为DRD（Dual-Role Device），反之无论在何种情况下都只是Device的则称为POD（Peripheral-Only Device）。
　

图中的手机即是典型USB OTG中的DRD，手机与PC相连时，手机为Device的从端角色，
PC为主端角色，而图下手机与数字相机相连时，手机为主端，数字相机为从端。

USB OTG如何确认何者为对接时的Host？又何者为Device？答案是透过为USB OTG所新增的接脚，在USB原有4个接脚（Vbus、D+、D-、GND）外，再增加一个ID接脚，ID接脚的阻值为零（短路、接地）者为主端，反之阻值为无穷大（开路，或称：空接、浮接）者为从端，此在装置相接之后透过阻值侦测即可确认。更具体来说，阻值低于10欧姆者即是趋近零，属于主端；而阻值大于100k欧姆者，被视为近乎无穷大的阻值，属于从端。

当某一装置被视为主端后，也必须负责传统USB主端的「对外供电」角色，在传统USB规范中，USB埠必须对外供应最少100mA，最高不超过500mA的5V电力，然由于USB OTG的装置多为使用电池运作的手持式装置，自身电能有限，若再向外供电就更会快见拙，因此USB OTG标准将主端向外供电的要求加以放宽，最高仍不可超过500mA，但最低只要不低于8mA，依然是合乎规范。

虽然USB OTG可以让两装置对接，但要注意的是：至目前为止USB OTG尚无法向传统USB般使用上Hub。此外，UTB OTG一般而言是使用USB 1.x中的低速（Low-Speed）1.5Mbps或全速（Full-Speed）12Mbps，高速（Hi-Speed）的480Mbps属于选用。

再者，USB OTG的接头、接座也与传统USB不同，传统USB有A型（主-电脑）接头接座与B型（从-装置）接头接座，而USB OTG为了因应更小巧装置的设计需要，使用增订的迷你型设计，即Mini-A接头接座、Mini-B接头接座。Mini-A、Mini-B与传统A、B相同，都具有防呆（避免错接）的机构设计，但除此之外的还有一种Mini-AB的接座，此种接座（或称：接孔）只有接座设计而无接头设计，此种设计是为了前述的DRD而设，让DRD可以用同一个接座来进行USB OTG的对接（A主角色），或在另一时间与PC连接（B从角色）。
　

USB OTG规范中的3种接座（Mini-A、Mini-B、Mini-AB）、2种接头（Mini-A、Mini-B），
其中Mini-AB接座可以连接Mini-A或Mini-B的接头，主要是为USB OTG中的DRD而设计。　

此外，USB OTG为了对接也增订两种新协定：HNP（Host Negotiation Protocol）与SRP（Session Request Protocol），前者可以让USB OTG对接时，且主端电力不足时，可与从端协调，使主从角色互换，以利持续传输。至于SRP，是为了对接的电能精省而设立，USB OTG为了对传时能够节省电能，所以在未有传输时会进入省电状态，使USB埠停止运作，而SRP则是由从端向主端发出，要求主端重新甦醒，好为从端进行传输服务。

另外，由于手持式装置的软硬件资源相当有限，且实现的软硬件方式也比PC多样，所以无法像PC一样支援各形各色的USB装置，所以在驱动程式的支援上较为拘限，关于此USB OTG主端装置内会建立一份TPL（Targeted Peripheral List），一旦接入USB OTG的从端装置后，会查核该装置属于清单中的何种类型，合乎类型则加以服务，未有合乎类型则当发出相关信息，告知使用者因装置不合而无法进行对传。

Inter-Chip USB
Inter-Chip USB 1.0是在2006年3月13日颁佈，专用于电路板上的晶片间连接，也由于用在电路板上，因此许多连接规则都与传统USB不同。首先，IC_USB与WUSB、USB OTG一样，也不能使用Hub，所以IC_USB与WUSB一样，采行星状的连接拓朴，每个从端都用一组USB接线与主端相连。其次，IC_USB在线路长度上也加以限缩，一般USB允许最长5m的接线，低成本（未具包覆屏蔽）的接线也可有1.8m，但IC_USB仅能有10cm的铜箔线路。再者，IC_USB由于只用于机内，一般而言机内的装置、晶片不会有进行热插拔、热置换的需求，如此IC_USB也就不用支援传统USB的随插即用（PnP）机制。
　

Inter-Chip USB并不支援透过Hub的连接（红线），只有传统USB可透过Hub进行连接（黑线）。
　

也因为IC_USB从铜缆线改成铜线箔以及半导体工艺技术的进步，使得IC_USB的供电线路的电压也有所不同，传统USB的供电线路为5V电压，这是在1996年就定下的，而今半导体技术已又长进了十年，晶片需求的工作电压已不断降低，从5V降至3.3V、从3.3V降至2.5V，如今更有1.8V、1.3V，很明显的，IC_USB若持续使用5V电压，并不合乎实际之需。此外，由于IC_USB只在短距离内传输，所以不一定要使用差动（Differential）传输，也可使用较传统的单端（Single End）传输，IC_USB提供两种传输方式的选择。

所以，IC_USB降低了电压准位，不再使用5V，而是另行提供5种电压值：3V（或3.3V）、1.8V、1.5V、1.2V、1V等，这些电压准位值是取自JEDEC机构所订立的标准，至于实际运作时要使用哪个5种电压值，则由相连的晶片间自行沟通、协调来决定。
　

Inter-Chip USB在电压类别（Voltage Class）上的协调顺序图。
　

IC_USB也将接脚名称进行调整，过去称为Vbus、D+、D-、GND的接脚，被依序改名为IC_VDD、IC_DP（IC Data Plus）、IC_DM（IC Data Minus）、GND（未改）。许多人重视的传输速率方面，IC_USB目前以FS为主支援，LS则必须由Host与Device间相互协议才能支援，至于HS尚未支援，HS的支援目前仍在研拟尝试中。

结语
毫无疑问的，USB依然是充满演化活力的技术规格，依然有许多可能性发展，不过无论如何发展，都会尽可能保障过往的研发投资，特别是在韧体、软件上的相容上，毕竟韧软件占应用设计中的成本、心力等比重正节节上升，因此USB的实体硬件可以变化，但这些必要的变化，却能使韧、软件的投资价值更为扩展、延伸。