通用串列匯流排(Universal Serial Bus. USB)正逐漸取代過去20年來無所不在的RS-232串列埠(Serial Port)。事實上，現今發售的大部分個人電腦(PC)都只提供USB埠，而沒有串列埠或並列埠(Parallel Port)。
USB最初的設計目的是為了連結電腦及其周邊，但因為使用上的便利性而廣受歡迎，使用範圍更擴展到電視遊樂器、個人數位助理(PDA)、MP3播放器和資料擷取器(Data Logger)等產品。
在進行USB設計時，須要考慮許多特性，例如應選擇低速、全速還是高速的傳輸速率；採用A型還是B型連接器；功耗、相容性以及如何選擇設備類型。此外，什麼又是新的USB On-The-Go(OTG)標準呢？設計人員應從哪裡著手？
熱插拔對DSC/MP3較便利
第一步是理解USB的基本原理。USB系統是一種階層式的星狀架構(Tiered Star Configuration)，由一台主控制器和多台直接連接或雛菊鏈型連接的設備(Daisy-Chained Device)組成。每個埠(Port)僅可以連結一台設備。但該設備可以是一台USB集線器(USB Hub)，利用樹狀結構將單個埠擴展為多個下行埠。雛菊鏈型設備連接也有其限制：每個主控制器允許五層分支，一個主控制器最多可連接一百二十七台設備。因此，電腦可以有多個主控制器。
USB可在系統啟動時連結，也可以在系統運作過程中進行熱插拔(Hot Plug)。對於數位相機或MP3之類的設備而言，熱插拔較為方便，因為這些設備通常僅在上傳或下載資料時才須與電腦連線，正常使用情況下並毋需連結電腦。因此，若須要重啟系統才能連結設備與電腦，將造成使用者相當大的不便。
連結主控制器與集線器或設備的過程非常簡單。USB連接器有三種類型。「A」型連接器用於與主控制器連結(上行連結)，而「B」型連接器用來與設備連結(下行連結)。最後一種連接器為「mini-B」型，為一款尺寸更為迷你的B型連接器。這些連接器各不相同，因此設計人員不會混淆或錯誤地連結設備。
四種根導線各司要職
USB最強大的功能之一是可以透過USB纜線對設備供電。USB纜線有四根導線：電源線、地線、D+和D-訊號線。D+和D-訊號線提供差動訊號，協助進行資料傳輸。電源線和地線連接可為設備提供5伏特的電壓和最高500毫安培(mA)的電流。與設備連結後，主控制器將透過「列舉(enumeration)」的步驟辨識主控制器所連結的設備、設備執行的資料傳輸類型、消耗的功率及其他參數。在啟動時，僅容設備汲取100毫安培的電流。之後，主控制器將視其提供電流給其他設備的狀況；也就是說，若提供給其他設備的電流少，則單個設備將被允許消耗更多的電流，最高可達500毫安培。
須要注意的一點是，有些集線器並非自供電的，意味著它們須通過上行(Upstream)連結供電，然後將電能傳遞至下行(Downstream)連結。
不過，設計人員仍有兩種辦法克服。其一是使用自供電的集線器，另一為設備外接電源。諸如印表機、掃描器和喇叭之類的設備都有自己的電源供應。而滑鼠、鍵盤和隨身碟之類的設備則可透過USB纜線供電。
在USB系統中進行連結時，纜線長度不得超過5公尺。使用集線器，系統可以透過六條纜線和五個額外的集線器，將纜線總長度增加到30公尺。
USB分成四種傳輸類型
如文中所提及，列舉過程除能辨識設備，還能決定設備的資料傳輸類型，並載入正確的設備驅動程式。USB定義了以下四種傳輸類型：
．控制(Control)
向設備發送指令和查詢要求，或接收來自設備的狀態回應。
．中斷(Interrupt)
必須能夠在保證的時間內快速回應較小的資料封包(Data Packet)，用於如滑鼠或鍵盤之類的設備。
．巨量(Bulk)
進行大量資料傳輸的同時執行錯誤檢測，用於如印表機或硬碟之類的設備。
．即時(Isochronous)
不進行錯誤檢測的等時串流資料傳輸，例如喇叭之類的設備。
設備驅動程式將定義每台下行連結設備的類別。根據設備類別，作業系統可能提供一個標準驅動程式。人機介面裝置(Human Interface Device, HID)類別和大容量儲存裝置(Mass Storage Device, MSD)類別在作業系統中都有標準的驅動程式(Driver)。其他類型包括音訊、印表機、視訊及量測設備，USB也提供了供應商設備類別，允許供應商自行定義設備類型並開發驅動程式，以建立USB連結。
傳輸速率隨規格逐代升級 產品應用各取所需
設計人員經常看到相容於USB 1.1或USB 2.0。這又是什麼意思呢？USB 1.1在1998年9月發布，它定義了低速和全速兩種工作速度。低速USB的最大資料傳輸率為1.5Mbit/s，通常用在使用控制和中斷傳輸類型的HID應用，例如滑鼠和鍵盤；全速USB的最大資料傳輸率則為12Mbit/s，包括所有需要較高頻寬的設備。由於USB容易使用，過去很多使用串列或平行連結的設備、甚至是原本須插入到電腦ISA(Industry Standard Architecture)和PCI(Peripheral Component Interconnect)插槽的專用板卡都轉為使用USB。在意識到使用者需要更高的速率後，2000年4月USB 2.0於焉誕生，該標準提供了另一種工作速度：高速，其傳輸速率為480Mbit/s。USB 2.0能夠相容使用低速或全速的USB 1.1設備，更提升了資料傳輸速率，強化音訊或視訊設備的資料傳輸，同時提高外接設備諸如硬碟、網路攝影機、掃描器和印表機等的工作效率。
須要注意的是，USB將可用頻寬劃分為由主控制器監控的訊框(Frame)。每個低速或全速訊框包含1.5KB，每毫秒傳輸一個訊框。所有使用即時和中斷資料傳輸類型的設備均占用每個訊框中的一個插槽，因此可保證所需的頻寬和時序要求。
訊框內的其他時間則分配給了巨量和控制傳輸類型。儘管最高傳輸率可以是1.5、12或480Mbit/s，但是任何設備都只會占用頻寬的一小部分。實際上，若連結至主控制器的USB設備過多，匯流排仍可能耗盡頻寬。因此電腦須設有多台主控制器。
除此之外，設計人員也須注意，許多設備都是當成USB 2.0設備來上市，但並非所有的USB 2.0設備都是高速設備。USB應用者論壇USB-IF)組織提供了USB標誌和USB高速標誌，協助用戶區分產品性能。
USB OTG開展另一項可能
最後來談談USB OTG。USB OTG補充規範的最初發布時間是2001年12月，並於2003年7月發布了第二次修訂版。這個USB延伸協定，允許一個埠既可用作主機也可用作設備，取決於插入到設備的是USB纜線的哪一端。USB OTG的出現允許諸如個人數位助理之類的設備能與電腦進行雙向通訊，以建立連結並下載檔案、通訊錄和電話號碼等。
此外，個人數位助理也可與印表機連結來列印圖片或檔案，與鍵盤或滑鼠連結以輸入資料，或與其他可強化個人數位助理使用性能的周邊連結。由於USB OTG多用於可攜式或體積較小的設備，兩種新型連接器也被正名為mini-A和mini-AB型。儘管不如USB 2.0種類繁多，整合USB OTG模組的微控制器(MCU)正在逐漸流行中。
對於終端使用者而言，USB的使用方式仍然相當平易近人。設備在主機上隨插即用(Plug and Play)的安裝方式和熱插拔功能，簡化了過去使用產品前複雜的步驟。據估計，到2004年為止，全球USB設備的使用量超過十億。隨著USB向高速模式的擴展，唯一不能使用USB的設備就只有像顯示器和監視器之類的高畫質數位視訊產品了。
(本文作者為微芯應用經理)