簡化晶片設計　手機USB應用無限寬廣

因應消費者需求 新標準推陳出新  

如同許多新技術的發表，高科技公司正不斷嘗試走在消費者需求的前端。更由於手機的高普及率、如iPod等數位音樂播放器與照相手機的成功，再加上消費者要求能隨時隨地存取網路且共享資料，因此廠商必須要在消費性產品中增加新的整合層級。舉例來說，摩托羅拉(Motorola)、諾基亞(Nokia)與三星(Samsung)所推出的新款手機，都具備MP3介面、數位相機、攝影機與錄放功能，同時也能夠將資料、鈴聲、相片及電話簿傳輸至個人電腦。這些功能雖然都相當先進，也都是高頻寬與資料密集的應用，但問題卻出在互動、檔案播放及手機傳輸資料的收送速度差強人意。雖然如摩托羅拉最近發表的多款手機已經具備USB 2.0高速功能，而多數手機亦宣稱一首4MB的MP3歌曲傳輸時間只需三十秒；然而，隨著手機容量與日俱增，一旦要移動的不只一首歌，勢必就須要推出滿足不願意等待的消費者的產品。  

也因此，為了符合消費者對於速度、效能、更長的電池壽命等各方面的強烈需求，廠商現在開發的技術標準包括藍牙(Bluetooth)、超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)以及USB等。  

藍牙耳機應用成最大宗  

藍牙是由包括手機製造商等業者在1999年所共同發表的無線通訊標準，它對於無線語音連線而言，算是相當優異的通訊協定，因此目前看到的最大藍牙應用，是在無線耳機上。此外，一旦手機上的作業系統Windows支援網路撥接功能，手機即可當成無線數據機使用，以存取網際網路。  

但與其他資料傳輸技術標準比較起來，目前藍牙實際最大傳輸速率受限於每秒少於1Mb的理論最大值。此種速率對於音訊傳輸來說當然夠用，但對資料同步、甚至是網路瀏覽等功能仍嫌不足。支援增強資料傳輸率(Enhanced Data Rate, EDR)的藍牙裝置目前雖已上市，但也只是將最高傳輸率增加至3.0Mbit/s而已。  

然而在儲存相片、視訊、音樂資訊等資料時所需的頻寬較大，因此頻寬較小的藍牙便不適合作為這類應用的介面；且身為無線通訊標準，當藍牙與PC連線時，也無法對電池充電，是先天不足之處。  

已認證WUSB成應用新選擇  

除了藍牙以外，已認證的無線USB(Certified Wireless USB)也是未來無線連線技術的新選擇。Certified Wireless USB是被USB設計論壇(USB-IF)公認的一項超寬頻通訊版本。UWB利用展頻的概念加以改良，可在較大的頻段中傳送低功耗的微小訊號脈衝。由於UWB介面以極低功耗與其他訊號溝通，因此能允許與其他應用共用頻譜。  

這種情況與CDMA系統允許其他CDMA電話共享頻譜的情況十分類似。雖然UWB或許會成為未來連結標準的新選擇，但目前並非所有電腦都具備這項功能，因此廠商必須透過電腦中的USB介面，來與UWB搭配。  

USB成最佳選項  

雖然USB不是無線，但其卻是現今在手機上進行寬頻資料傳輸的最佳選擇。因為手機透過USB連接至個人電腦時，在USB上所提供的電力能在兩個小時之內將一顆普通1,000mAh電池的電充滿。且由於USB是全球通用的技術，自二十世紀末以來的每部PC與Mac PC均內建USB介面，各種作業系統亦提供支援，讓USB更加受歡迎。  

一般來說，USB有兩種速率選擇，設計人員可依需求，選用成本較低、每秒提供1.5Mbit/s傳輸速率的全速(Full-speed)模式，或是每秒提供60Mbit/s傳輸速率的高速(High-speed)模式。各種通訊標準資料傳輸速率理論值的比較如表1。

表1　手機平台上資料傳輸速率之比較
比較項目	USB高速模式	USB全速模式	藍牙1.2	藍牙2.0+EDR	Certified Wireless USB
資料傳輸速率理論值	480Mbit/s	12Mbit/s	1.0Mbit/s	3.0Mbit/s	480Mbit/s
MP3檔案平均大小	4.0MB	4.0MB	4.0MB	4.0MB	4.0MB
傳輸時間(以一百首歌曲為例)	7秒	4.5分	53分	17.8分	7秒

就資料傳輸與更新的主要任務來說，現階段並無任何標準能與USB的速率及普遍率相提並論。因此，消費者仍會有很長的一段時間，看到手機配件中附有USB連接線。此外，USB問世十餘年來，也一直在速率、軟體相容性、功耗及價格上不斷地改良，而這些都是手機市場中十分關鍵的議題。  

USB傳輸速率有成長空間  

前文曾提到，即便是最新的手機，傳送一首歌曲都要花上三十秒的時間。廠商要如何才能提升傳輸速度，在這之中又會遭遇哪些技術議題，也都是業界重視的議題。  

目前有幾種方法可在手機中增加USB功能。對許多設計人員來說，最簡單的方法就是購買內建USB的微處理器。德州儀器(TI)、飛思卡爾(Freescale)與Marvel等其他廠商生產的手機CPU上，都已將USB視為標準功能。不過，目前的CPU仍只具備全速模式的USB，從長遠來看，高速USB達480Mbit/s的規格，終將會納入應用處理器的規格中。然而，開發這些晶片既困難又昂貴，設計週期也長，因此，在短期內，外加USB晶片將是唯一的設計方法。  

如同許多通訊協定，USB也是採取多層堆疊的通訊架構，堆疊最底層是實體層。USB利用一對導線做為雙向通訊傳輸之用，而在高速模式下會採用± 400mV的差分訊號。實體層之上為資料編碼機制，採用不歸零倒置(NRZI)編碼方式，其中訊號位準轉變時即代表位元「0」，若訊號位準維持不變則代表位元「1」。NRZI的編碼方式可以讓時脈訊號夾帶在資料訊號中，用相同的腳位傳送。接著USB利用位元充填(Bit-stuffing)的方式，以確保資料線路上有足夠多的訊號位準變換來回復時脈。此時，原本的序列式資料路徑也會轉成並列式資料路徑(圖1)。

圖1　USB硬體與軟體通訊協定堆疊

序列式與並列式資料路徑之間的交界採用標準化的USB Transceiver Macrocell Interface(UTMI)交界規格，在此交界的上一層為循環重複檢查碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)產生機制。USB的控制封包(Control Packet)採用短位元(5-bit)CRC；資料封包(Data Packet)則採用長位元(16-bit)CRC，以偵測所有1-bit與2-bit的錯誤。緊接著的上一協定層為流量控制(Flow Control)，在這層中，USB於處理封包接收與回應(Acknowledgement)時，對於時序有嚴格的要求。  

這一層可提供流量控制，並確保每一筆有效資料都能完整地傳遞至應用層(Application Layer)，也就是USB通訊協定堆疊中最高層。應用層一般為專屬程式或是類別通訊協定，以支援數以千計的各種USB裝置。雖然使用者會覺得USB的使用相當容易，但這種外在的簡易性所內含的卻是複雜的軟硬體整合。任何廠商想要在手機晶片組中加入USB功能，就不能不了解其中的複雜度。  

外接晶片有助USB速率提升  

要增加高速USB連結功能最簡單的方法，就是在系統中外加全功能USB周邊晶片。利用已經包含所有USB連結所須建置細節的晶片，讓系統設計人員毋須花費太多力氣就能完成設計。微處理器架構的USB解決方案甚至可以執行所有或部分設計所需的特定類別通訊協定。舉例來說，某些全功能晶片毋須透過應用處理器的控制，便可直接將USB連接埠連至SD-Card上。一旦PC完成經由USB下載SD-Card上的資料後，該晶片也提供一組介面可存取資料，允許應用處理器直接存取資料。這類元件都是相當理想的套件式(Bolt-on)解決方案，因為USB晶片及應用處理器可共用既有的匯流排作為通訊之用。這種方式所用到應用處理器上寶貴的通用輸入/輸出(GPIO)之個數也少(圖2)。

圖2　針對手機應用之全功能USB晶片區塊圖

特殊解決方案應運而生  

若是因為特殊手機對於尺寸或耗電有特別的限制，而需要更高整合度的解決方案時，則有兩種加入高速USB的方式可供參考。第一種方式是等應用處理器或基頻處理器廠商把專屬USB介面與整個USB硬體通訊協定堆疊加入其處理器中；第二種方式是應用處理器廠商只提供晶片組中原有的USB晶片數位電路部分，而將480Mbit/s類比收發器獨立出來成為另一晶片。值得一提的是，這兩種解決方案都須對於UTMI交界規格有相當認知。  

第一種方法，也是完全整合的方法，對晶片組設計人員來說是最複雜、風險最大的一條路。所謂「整合」對某些設計來說可行，但有些則未必。要在大型高速CPU的狹小製程空間中加入高速USB有許多缺點，包括：

‧	高風險
	在越小面積上的遮罩組越昂貴。如果數位手機晶片組設計人員無法成功設計類比USB實體層的部分，重新設計所耗費的成本可能會非常高。

‧	大型類比元件
	許多USB實體層中所用的架構都是類比元件。由於類比元件並不會因為製程縮小而有太多改善，因此類比收發器將占用許多原本就已相當拮据且昂貴的製程空間。

‧	五伏特容忍值
	為了要連接電源供應線路(VBUS)，USB規格中要求USB的腳位須有五伏特的容忍值。但在較小的製程範圍中，要達到五伏特的容忍值在技術上可能相當困難。

‧	靜電放電問題
	由於USB的腳位是直接暴露在外部，因此必須審慎考慮靜電放電(ESD)的問題。而USB訊號高速的本質，也使得要在晶片外提供ESD保護的設計相當困難。對於要在應用處理器或基頻處理器晶片中直接加入USB的方式，這項問題也是一大挑戰。

許多晶片組設計人員已經因為上述風險而延遲、甚至揚棄自行設計高速USB實體層與邏輯電路的想法。而一些擁有領先技術的廠商則轉向可結合獨立式UTMI收發器的設計。  

至於第二種方式，應用處理器晶片組設計人員會真正在USB核心邏輯電路中進行設計，而不是在處理器內的邏輯設計元件之間採用UTMI介面。UTMI需要二十二到三十一個驅動腳位，來提供低階存取收發器的能力，是一種十分簡單且可作為兩個晶片間的外部腳位連接時的介面標準。  

建置USB狀態機(State Machines)、暫停偵測以及所有USB中較高的協定層時，亦需要核心邏輯電路。而UTMI收發器中接收的部分則具備直接存取D+/D-位準的功能。  

如能利用UTMI收發器，手機晶片組廠商就能大幅減少類比設計的風險，並加快設計速度，提高首次設計成功的機會。  

雖然UTMI是相當不錯的選擇，但也需要相當多的腳位來搭配。為了突破這項障礙而發展出的ULPI(Ultra Low Pin Interface)則可減少USB介面所需的腳位數。ULPI利用暫存器取代許多專屬UTMI的訊號腳位，其類似其他微處理器介面的作法。  

ULPI標準也可將所需腳位減少至四個控制腳位，抑或加上四或八個資料腳位。雖然ULPI標準已於2005年8月發表，但到目前為止只有ULPI周邊晶片上市，在處理器晶片中則尚未有任何產品發表(圖3)。

圖3　USB之整合幅度

晶片整合微處理器  

下一階段的整合相當重要，因為在此層級之上的所有晶片都幾乎可以和目前任何市面上的微處理器連結。簡單的USB收發器在此類裝置中具備最少的功能，它們只負責提供USB實體介面以及一些資料緩衝功能，但它們要求應用處理器執行所有USB的管控功能，例如回應GET_DESCRIPTOR請求、終點狀態(Endpoint Stalls)和USB RESET等。  

如已問世的USB智慧型SIE晶片，結合了可編程微處理器，在USB的建置中可支援頻繁的插斷服務以及通訊協定細節。這些晶片的可編程能力讓設計人員能任意將某塊通訊協定層建置轉移至橋接晶片上，如此一來應用處理器就不須常常支援插斷服務，而能較常處於睡眠省電模式。  

至於最終的整合階段，則是完全獨立的橋接晶片。這類元件有能力建置完整的USB子系統，同時也允許應用處理器存取USB，並連結至該晶片的周邊元件。  

由於是獨立的晶片，使用者可以透過大量儲存介面下載音樂或上傳圖片，而毋需應用處理器的介入處理資料而浪費電力。當下載完成時，應用處理器可以透過標準的微處理器介面存取快閃記憶體或SD卡，同樣可以在實際應用上帶來不少幫助。  

該元件也提供USB直接存取應用處理器的功能，讓手機可以當成數據機或其他USB周邊裝置使用。這項裝置最大的優點在於它僅須移動資料一次，也就是從USB到SD卡。其他USB橋接解決方案則會先將USB的資料透過CPU移動至記憶體，然後再從記憶體經由CPU移至儲存裝置上。  

從完全整合的USB邏輯電路，到獨立的USB微處理器設計，手機仍將持續在上市速度、設計風險、以及消費者對於速率與功能的需求中間不斷面臨取捨抉擇。雖然現在幾乎每個新的周邊裝置都具備USB功能(圖4)，但要精通當中的技術議題仍相當困難；尤其在講求尺寸與價格的手機市場中，技術平台所要面對的困難度更高。

圖4　摩托羅拉的RAZR2手機配備USB 2.0高速模式功能

而隨著廠商面臨USB 2.0支援功能日益增加的壓力，越來越多的設計人員則須面對更困難的設計方式選擇。首先，無線方式對於資料同步與手機資訊下載或許是相當不錯的選擇，但就資料傳輸的功能而言，有線型態的解決方案對消費者而言仍具有較佳的使用經驗。而既然目前有線型態是最佳的解決方案，全世界的設計人員就必須熟悉USB的複雜度以及其可用的功能選擇。  

(本文作者任職於賽普拉斯)