關(guān)于USB發(fā)展史所遭遇的阻礙

在早期，USB接口的出現(xiàn)似乎僅僅是要解決一些簡(jiǎn)單外設(shè)諸如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)之類的設(shè)備與電腦的連接問(wèn)題，很顯然，這些外設(shè)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是極低的，所以，USB規(guī)范所定義的數(shù)據(jù)速率是1.5Mbps，數(shù)據(jù)還是雙向分時(shí)傳輸?shù)模琍C主機(jī)采用輪詢的方式和各個(gè)外設(shè)進(jìn)行通訊，只有被點(diǎn)到名的外設(shè)才能進(jìn)入傳輸狀態(tài)。這是USB 1.0的規(guī)格，它成文于 1996年。

提速以后的USB 1.1規(guī)范發(fā)布于 1998年，其數(shù)據(jù)傳輸速率為12Mbps，我在這個(gè)時(shí)候還在一家從事有線電視監(jiān)控系統(tǒng)和路橋收費(fèi)系統(tǒng)的香港公司工作。有一次，被我們稱為譚董事的業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人帶了幾位客人來(lái)公司參觀，參觀的重點(diǎn)是通過(guò)電話線傳輸視頻信號(hào)，客人能在電腦顯示屏上看到的信號(hào)以今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看那是慘不忍睹的，但是客人卻對(duì)此表示滿意，因?yàn)樗麄冎滥且呀?jīng)是最好的效果了。（這段話中提到的譚董事真的姓譚，也是公司董事，是個(gè)業(yè)務(wù)高手，但他的特長(zhǎng)并不在電子領(lǐng)域，而是一位財(cái)經(jīng)分析師，是證券投資顧問(wèn)，是我很喜歡的一位公司領(lǐng)導(dǎo)。）

2000年，USB 2.0發(fā)布，數(shù)據(jù)傳輸速率被提升至480Mbps。也就是在這一年的8月28日，我第三次踏上深圳的土地，進(jìn)入一家芯片分銷商工作。我在這份工作中最先接觸到的應(yīng)用是DVD播放器，然后是數(shù)碼相機(jī)和采用USB接口的攝像頭，這應(yīng)該是我最早接觸到的USB外設(shè)了。在這個(gè)時(shí)期，我們的客戶所生產(chǎn)的相機(jī)，30萬(wàn)像素的就算是好產(chǎn)品了，攝像頭則只有10萬(wàn)像素，可在屏幕上現(xiàn)出一個(gè)小小的圖像框，用今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看就是不清不楚的，但這已經(jīng)是高技術(shù)了，大家玩得不亦樂(lè)乎。這個(gè)時(shí)期的數(shù)碼相機(jī)所拍攝的數(shù)碼相片還不是存儲(chǔ)在像今日的存儲(chǔ)卡所采用的閃存里的，它們直接被存儲(chǔ)在一掉電就會(huì)丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器中，所以需要在拍照以后盡快通過(guò)USB接口將相片導(dǎo)入電腦里，很顯然，這樣的設(shè)計(jì)是有很大風(fēng)險(xiǎn)的，但也沒(méi)有辦法，行業(yè)的技術(shù)發(fā)展就處于這個(gè)狀態(tài)。在我后來(lái)支持的一個(gè)客戶那里曾經(jīng)聽(tīng)來(lái)一個(gè)故事，他們?cè)?jīng)生產(chǎn)的一批數(shù)碼相機(jī)就有客戶遇到了丟數(shù)據(jù)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致他們被消費(fèi)者告上了法庭，法庭認(rèn)為他們的產(chǎn)品導(dǎo)致客戶丟掉了自己的記憶，因而應(yīng)當(dāng)為消費(fèi)者的記憶丟失負(fù)責(zé)。記憶的價(jià)值到底有多大呢？這很顯然是一個(gè)無(wú)法計(jì)量的數(shù)據(jù)，因?yàn)槿绱?，他們付出了一筆巨大的費(fèi)用，還不得不將這些產(chǎn)品全部回收，給公司帶來(lái)了巨大的損失。

USB是通用串行總線的簡(jiǎn)稱，除了完成通訊功能，它還能夠傳輸電源為外設(shè)供電。為此，它采用了4根導(dǎo)線的電纜，還制訂了A型和B型的連接器接口。

這就是最初的接口的外形圖。其中的A型連接器只是出現(xiàn)在PC主機(jī)或是集線器一側(cè)，B型連接器只出現(xiàn)在外設(shè)一側(cè)。之所以要使用兩種不同的連接器，是為了避免插接錯(cuò)誤。需要說(shuō)明的是，主機(jī)端的端口被命名為下行端口，因?yàn)閺乃@里流出來(lái)的數(shù)據(jù)總是向下進(jìn)入外設(shè)中，與此相應(yīng)的就是上行端口了，它處于外設(shè)上。通常，一個(gè)外設(shè)只會(huì)有一個(gè)上行端口，但一臺(tái)主機(jī)則可以有多個(gè)下行端口。集線器作為承上啟下的設(shè)備，它必須具有一個(gè)上行端口，下行端口則可以有一個(gè)或多個(gè)。

這是標(biāo)準(zhǔn)的USB電纜的樣貌，它的兩端都有插頭，可分別插入主機(jī)和外設(shè)的插座上將兩者連接起來(lái)。有一些外設(shè)是自帶電纜的，這時(shí)候就只有一端有插頭了，像我們常用的USB鼠標(biāo)就是這樣的。

細(xì)心的讀者和使用者應(yīng)該可以看到電纜的插頭上都有USB的標(biāo)識(shí)符，這個(gè)標(biāo)識(shí)符的樣貌是有嚴(yán)格規(guī)定的，它以浮雕的形式呈現(xiàn)在一塊凹陷下去的坑里。這個(gè)符號(hào)被要求放在插頭的頂部一側(cè)，與之相應(yīng)的是擁有USB插座的主機(jī)和外設(shè)也要印上此標(biāo)志，在插接時(shí)只要將插頭上的這一標(biāo)識(shí)符和機(jī)器上的標(biāo)識(shí)符對(duì)上就可以順利地插入了。關(guān)于這一點(diǎn)，我想是規(guī)范制訂者的一片好心，但我發(fā)現(xiàn)我從未利用過(guò)這一標(biāo)識(shí)，這是因?yàn)槲也恢溃蚁嘈糯蠖鄶?shù)用戶都是不知道的，否則又怎會(huì)有遠(yuǎn)高于50%的插錯(cuò)幾率呢？

要在USB電纜中傳遞數(shù)據(jù)和電源，這兩者的傳輸線自然是應(yīng)該不同的，因?yàn)樗鼈兊奶匦圆⒉幌嗤?。?shù)據(jù)的傳輸使用了不歸零反相（NRZI）編碼方法，此編碼方法中已經(jīng)含有時(shí)鐘信號(hào)，因而利用信號(hào)本身就可以提取出時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的同步。相應(yīng)的電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和編碼方法示意如下圖所示：

為了能將盡可能多的外設(shè)納入U(xiǎn)SB接口中來(lái)使用，USB規(guī)范定義了如下圖所示的多達(dá)7層的可級(jí)聯(lián)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

依靠這種以集線器為中心的可以級(jí)聯(lián)擴(kuò)展的拓?fù)?，一個(gè)USB主機(jī)可以連接最多達(dá)127個(gè)外設(shè)。在規(guī)范中，這種外設(shè)也可被稱為Function。實(shí)際上，一臺(tái)設(shè)備中是可以有多個(gè)Function的，例如你可以把鍵盤(pán)和鼠標(biāo)整合在一臺(tái)機(jī)器中，它們?cè)诳偩€上就表現(xiàn)為兩個(gè)Function，當(dāng)主機(jī)上分別安裝了這兩種Function的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，作為使用者是不用去區(qū)分它們的。

依我的看法，USB這種既供電又傳數(shù)據(jù)，還能支持多外設(shè)同時(shí)使用的做法實(shí)在是太方便了，這就導(dǎo)致大量的外設(shè)要往這一接口上靠，然后就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率不足的問(wèn)題，這就逼得規(guī)范需要被不斷修改以提升其應(yīng)用的性能，這又會(huì)促進(jìn)更多的應(yīng)用往上面靠，從而形成一個(gè)不斷升級(jí)的局面。

USB 2.0是在兼容此前USB 1.X 規(guī)范的基礎(chǔ)上于2000年推出的，除了速度的提升，我認(rèn)為其變化并不大，但其對(duì)應(yīng)用的影響是巨大的。在這個(gè)時(shí)期，其他的技術(shù)也在發(fā)生突飛猛進(jìn)的發(fā)展，作為一個(gè)局外人，我能夠感受到的是硬盤(pán)技術(shù)的發(fā)展，高速度、大容量、小體積的硬盤(pán)開(kāi)始出現(xiàn)，于是市場(chǎng)上出現(xiàn)了移動(dòng)硬盤(pán)。很顯然，早期的B型接口用在像移動(dòng)硬盤(pán)這樣的小設(shè)備上是不太匹配的，這時(shí)候就有了小型USB接口mini-B的出現(xiàn)，現(xiàn)在我手里還有的幾個(gè)移動(dòng)硬盤(pán)就全是這種接口，甚至去年買的車載攝像頭也還在使用這樣的插座。

按照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，如果我想將數(shù)碼相機(jī)里存儲(chǔ)的照片放入移動(dòng)硬盤(pán)，我需要將數(shù)碼相機(jī)和移動(dòng)硬盤(pán)都與電腦主機(jī)連接起來(lái)，這樣才能完成相片的轉(zhuǎn)移過(guò)程，而在此過(guò)程中電腦只是起到了中轉(zhuǎn)的作用，可是這對(duì)一個(gè)旅行者來(lái)說(shuō)實(shí)在是太費(fèi)事了。怎么辦？這就有了USB On-The-Go的誕生，它被簡(jiǎn)稱為OTG。OTG賦予一臺(tái)本來(lái)的外設(shè)以主機(jī)的功能，它就能像主機(jī)那樣工作了，其他外設(shè)就可以連上去完成該外設(shè)想完成的事情。而當(dāng)它和一臺(tái)主機(jī)連接的時(shí)候，它仍然是一臺(tái)外設(shè)。所有的OTG設(shè)備都是為某些特定目的而設(shè)計(jì)的，所以，當(dāng)OTG設(shè)備作為主機(jī)的面目出現(xiàn)時(shí)，它并不需要像PC那樣擁有可以和各種外設(shè)連接的能力，因而其設(shè)計(jì)可以是簡(jiǎn)化的，可以和其連接的外設(shè)也很有限，它們可以被列入一份目標(biāo)外設(shè)清單中。

OTG是USB的一個(gè)擴(kuò)展，它總是被設(shè)計(jì)為只有一個(gè)單獨(dú)的USB插座，但使用的是同時(shí)兼容Micro-A型插頭和Micro-B型插頭的Micro-AB型插座，這些插頭座也是USB的一項(xiàng)擴(kuò)展。Micro-AB型插座比其他的插座多了一個(gè)ID端，其狀態(tài)可以由插入的插頭決定。當(dāng)插入的插頭是Micro-A型時(shí)，意味著該OTG設(shè)備被確定為A型設(shè)備，即它被確定為主機(jī)。當(dāng)插入的插頭是Micro-B型時(shí)，意味著該OTG設(shè)備被確定為B型設(shè)備，即它被確定為外設(shè)。如果沒(méi)有插頭插入，該OTG設(shè)備的預(yù)設(shè)狀態(tài)就是一臺(tái)外設(shè)（假如它是自供電的）。假如應(yīng)用中的B設(shè)備需要擁有主機(jī)的角色，這時(shí)候可以通過(guò)軟件協(xié)議使其角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，很顯然，這樣的設(shè)計(jì)在將兩臺(tái)OTG設(shè)備連接在一起的時(shí)候是很有用的。

USB的主機(jī)是需要為連接進(jìn)來(lái)的外設(shè)供電的，所以，OTG設(shè)備需要進(jìn)行相對(duì)比較復(fù)雜的電源管理工作。立锜有投資成立一家名為立敏（RichNex）的公司，他們就有專門(mén)提供支持OTG應(yīng)用的USB接口芯片。與標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)不同，用于USB OTG應(yīng)用的接口芯片通常只提供最多100mA的電流輸出，因?yàn)殛P(guān)于OTG的規(guī)范就是這樣定義的。如果要供應(yīng)更大的電流，就需要像我們這樣的專門(mén)提供電源管理的公司來(lái)提供方案。當(dāng)我寫(xiě)到這里的時(shí)候，回憶起多年前為那些制作移動(dòng)硬盤(pán)的公司提供方案支持的經(jīng)歷，心中仍然是有些波瀾的，因?yàn)檫@樣的方案并不好做，而我并未見(jiàn)過(guò)比我所做更好的東西，可是我對(duì)好東西的渴望似乎總是存在的。

按照規(guī)范，USB2.0以前的接口能夠提供的最大電流是500mA，而每一臺(tái)電腦上居然都有USB接口，所以在USB接口被用于數(shù)據(jù)交換的同時(shí)催生了一項(xiàng)應(yīng)用：為移動(dòng)設(shè)備充電。這一發(fā)展一定是出乎USB規(guī)范制定者的初衷的，否則它們從一開(kāi)始可能就不會(huì)做出那么多的限制了。例如，當(dāng)USB總線處于掛起狀態(tài)時(shí)（這時(shí)候數(shù)據(jù)線上沒(méi)有數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，是不活動(dòng)的），一臺(tái)外設(shè)能夠吸取的電流僅僅是2.5mA（平均值）。當(dāng)外設(shè)接入總線但還未完成配置以前（也沒(méi)有處于掛起狀態(tài)），一臺(tái)外設(shè)可以吸取的電流是100mA。500mA的電流是在外設(shè)完成和主機(jī)的連接以后才容許吸取的（當(dāng)然也需要總線沒(méi)有掛起）?？墒怯捎赨SB在使用上的方便性，大量的移動(dòng)設(shè)備采用了USB接口并且通過(guò)這一接口來(lái)完成供電和充電，這就導(dǎo)致了一個(gè)新的輔助標(biāo)準(zhǔn)的誕生：USB BC1.2。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以前就已經(jīng)有很多公司利用USB接口來(lái)為其產(chǎn)品供電、充電了，而它們的充電器也利用了這一接口，所以，BC1.2中就納入了很多特別的概念，例如DCP（專用充電端口）、SDP（標(biāo)準(zhǔn)下行端口）、CDP（充電下行端口）等等。另外，世上歷來(lái)就有一些公司是喜歡自行其事的，他們會(huì)按照自己的意愿去確定自己的充電器的設(shè)計(jì)。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備接入這些不同的端口或是不同的充電器時(shí)，被容許吸取的電流是不一樣的，這就導(dǎo)致這樣一個(gè)問(wèn)題：設(shè)備的設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品呢？他應(yīng)當(dāng)如何確保自己的產(chǎn)品在被插入這些充電端口時(shí)能夠知道該吸取多大的電流呢？BC1.2就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而生的，它制訂了一些方法去適應(yīng)這些不同的狀況，使得大家有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)可以參照，而那些采用了這種標(biāo)準(zhǔn)的器件也可以宣稱自己符合這一標(biāo)準(zhǔn)了。宣稱符合這一標(biāo)準(zhǔn)的器件示例如下圖所示，這款器件的型號(hào)是RT9485，是立锜的一款全新的移動(dòng)電源方案，它已包含移動(dòng)電源控制部分的全部功能，而且它是全智能化的，其內(nèi)部集成的ARM內(nèi)核容許進(jìn)行自由的編程設(shè)計(jì)，這樣就可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。作為一個(gè)實(shí)例，你將很快看到我們是如何讓它支持USB Type-C接口的，有興趣的讀者可在3月份的上海慕尼黑電子展上看到實(shí)物，那將是它的處女秀。

對(duì)于一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，他/她在考慮一項(xiàng)設(shè)計(jì)的合理性的時(shí)候是需要在產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)進(jìn)行思考的。在這方面，我曾經(jīng)有過(guò)一次很深刻的教訓(xùn)。那是在鋰離子電池開(kāi)始普遍應(yīng)用的早期，專門(mén)用于鋰離子電池充電管理的IC還是稀有產(chǎn)品，我不得不將多顆IC組成一個(gè)系統(tǒng)方案為我們的客戶服務(wù)。在某一次設(shè)計(jì)的方案中，我忽略了電池沒(méi)電以后的系統(tǒng)狀態(tài)，結(jié)果造成系統(tǒng)無(wú)法被充電，因?yàn)檫@時(shí)候的充電通道無(wú)法被啟動(dòng)，這個(gè)問(wèn)題逼得我建議客戶加入一個(gè)由二極管加電阻構(gòu)成的啟動(dòng)電路才把問(wèn)題解決。由于這項(xiàng)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段，對(duì)客戶的影響無(wú)疑是巨大的，好在這家客戶的老板是我初入行時(shí)就認(rèn)識(shí)的，我們之間早已建立了很深的友誼，他在遇到難以解決的問(wèn)題時(shí)都會(huì)找我提供建議和方案，我們也能夠相互理解對(duì)方的困難，難題就這樣被輕易地解決了，但這對(duì)我無(wú)疑是有影響的。

像我這樣所遇到的問(wèn)題，在BC 1.2中也被納入了考慮范疇。當(dāng)電池沒(méi)電或是電量不足的時(shí)候，一個(gè)系統(tǒng)在受限的供電條件下很可能是無(wú)法啟動(dòng)的，它必須被充電至一定的程度以后才能進(jìn)入正常的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，BC 1.2就提供了一種機(jī)制，它容許你在充入一定的電量以后再按常規(guī)來(lái)對(duì)你進(jìn)行考核，從而拓寬了標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍。

USB的供電能力限制還曾經(jīng)創(chuàng)造過(guò)一個(gè)巨大的市場(chǎng)，那就是為Nokia的手機(jī)充電的應(yīng)用。這個(gè)事件的起因是Nokia的手機(jī)都依靠充電器的限流能力結(jié)合其內(nèi)部采用的開(kāi)關(guān)用脈沖電流為電池充電，它要求其充電器的供電電壓在空載時(shí)高于5V，在限流時(shí)電壓可以低到內(nèi)部電池電壓甚至是0V。當(dāng)采用USB端口為之充電的時(shí)候，為了符合USB規(guī)范，就需要采用輸入電流能夠得到限制、輸出電壓也需要得到限制的轉(zhuǎn)換器，可惜那時(shí)候沒(méi)有好用的器件，我不得不采用一些特殊的設(shè)計(jì)來(lái)完成此功能，甚至為了滿足客戶的需要而將兩顆IC封裝在一起形成一個(gè)具有特定功能的器件。后來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)低成本，不得不開(kāi)始新IC的規(guī)劃，但可惜我們的報(bào)價(jià)沒(méi)有被客戶接受，讓另外一家供應(yīng)商得到了機(jī)會(huì)。在后來(lái)的日子里，這家客戶用40%的資源投入這項(xiàng)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，而獲得的利潤(rùn)卻是全公司利潤(rùn)的70%，之所以有這么大的收獲，是因?yàn)镹okia的所有這類產(chǎn)品都是由這家公司生產(chǎn)的。

就在進(jìn)行這項(xiàng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的時(shí)候，Micro-USB接口開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，這就是我們今天看到的大部分智能手機(jī)上的接口的樣子。但是，用過(guò)這類接口的人如果再用上蘋(píng)果的iPhone，那就知道iPhone所使用的接口會(huì)讓人感覺(jué)更好，而USB的規(guī)格也將慢慢地走上一條類似的軌道，這就是Type-C時(shí)代的來(lái)臨。今天的你我，就正站在Type-C時(shí)代的入口上。