USB总线速度不够？PCIe总线有机会取而代之

USB总线速度不够？PCIe总线有机会取而代之

当USB速度不够快了，怎么办？这种情况会发生在每台PC、NB、及全世界每种电脑周边装置，我们总是需要更快的传输速度。消费者是永远不会被满足的一群，业者当然不能认为消费者对于掌上型装置之间传输速度的需求，会比现今PC上网传输的速度来得低。 

通用序列汇流排(USB)是全球普遍的连结标准。USB的传输速度从最初的1.5Mb、12Mb，一直发展到目前的480Mb高速USB传输。然而，当480Mb的速度已不够快时，我们要改用哪一种连结技术？当面临高画质影片、快速成长的数位内容，以及全世界对于高品质行动娱乐科技的需求下，消费者对于各种消费性与运算平台上传和下载内容速度的需求，都要高于现有解决方案所提供的传输速度情况下，PCIe(或PCI Express)会是解决方案吗？在两年后，高速USB传输会被视为「慢速」吗？ 

串流传输的需求引起USB寿命的质疑 

USB已成功地在市场上全面普及化，几乎每个PC週边装置都采用USB为主要的传输介面。在thinkgeek.com网站中可看到USB电热杯垫、USB水族箱、甚至是USB烟灰缸(图1)。当然还有其他更常见的USB週边装置，例如印表机、扫描器、滑鼠以及像随身碟这类的储存装置。此外，大多数的应用皆能支援高速USB(通常称为USB 2.0介面)的频宽限制。 

对于USB使用寿命的质疑，源自于影音应用新宽频的需求。视频采集是PC產业其中一个成长最迅速的领域。微软在这几年持续扩充Windows作业系统对于媒体应用的支援，甚至特别针对视频采集与播放的需求，量身打造一款名为「Windows Media Center Edition」的作业系统。 

视频采集会佔用大量的频宽。例如标准画质的影片格式每秒传输速度为27Mb，也因此会佔掉USB 2.0高速介面一半以上的频宽。虽然USB 2.0号称每秒传输速度高达480Mbits或60Mbytes的水准，但由于PC内主控端晶片组的速度限制，实际上每秒只有40Mb～48Mb的传输速度。其实在这样的应用下，USB仍可提供足够的频宽支援在PC上观看电视节目之用途，那么问题究竟在哪裡？问题在于消费者并不需要单一的电视位元流，而是具备可同时插放和录影功能的串流，也就是数位录放影机(DVR)。 

数位录放影机(DVR)因「TiVo」这个品牌而普及；TiVo是第一个能让使用者方便地运用「时间移转」功能处理影像的数位装置。典型的DVR可让使用者能一边从头开始观赏预录的节目，另一边则继续录下播放中的其他片段。或者在录下「插放中」节目时也同时插放之前的画面，这种「时间移转」的功能就像「暂停」与「立即重播」功能。例如你可在晚间8点15分从头观赏早在8点整就开始的节目。当你在观看原来8点～8点01分的片段时，同一时间DVR会继续将8点15分～8点16分插放中的片段，以资料流模式储存在硬碟中(图2)。 

然而，要配合这类应用，DVR必须能支援三条27Mb/秒的资料传输流；一条「储存资料流」、另一条支援Tuner #2的「延迟资料流」，还有一条是输出至数位电视的「储存」串流。随著内容愈来愈多元化，加上更高品质的影片也需要串流传输，导致USB的频宽不足以支援这类的使用模式，也因此PCIe或PCI Express将成为未来一项重要的技术。 

而大多数人对PCIe的焦点，只著重在它取代PCI技术的部分。事实上，企业用户、消费者以及网路使用者对频宽持续不断的需求，才是导致PCI转移至PCIe传输介面的关键原因。现今最重要的资料通讯设备平台大都采用PCI介面，未来则会转换成PCIe介面(图3)。 

数位电视串流面临的是设备外的资料传输问题，而资料通讯问题则属于机内的传输瓶颈；有趣的是，这两个不同问题其实都可以透过PCIe或PCI Express得以解决。 

高相容性、易转移性促成PCIe的取代 

促成PCIe成功的一个重要原因，是与PCI的定址模式的相容性，使目前所有的应用与驱动程式能维持相同的运作方式！光是这点就替PCIe技术向前推进一大步。此外，PCIe提供每秒250Mb的双向传输速度，而PCI仅限每秒133Mb的单向传输，因此这可以让单通道的PCIe装置提供比PCI装置高出2倍或4倍的传输速度。16倍速PCIe绘图卡已经问市，上传与下载双向皆提供惊人的每秒4Gb的传输速度，同样的，加上与USB架构的相容性，让PCIe成为取代PCI和高频宽的USB理想技术。表1列出PCI、PCIe以及USB之间的基本类同点与差异。 

如同PCI转移至PCIe，在USB转移至PCIe方面，类同性也扮演重要的角色。从表1中可看出PCIe与USB之间有许多相似的特性，例如序列讯号、点对点的汇流排通讯，以及标准化的传输线规格(PCIe正完成标准的制定)。此外，PCIe拓扑与扩充能力皆与USB类似(图4)。两种介面都采用点对点的连结模式，因此需要使用扩充装置。在USB方面，扩充装置为一个集线器，负责转接讯号以及转换传输速度，从480MBit高速主控端转换成维持回溯相容性所需的12MBit速度。在PCIe方面，扩充装置则称为交换器。 

技术转移的容易度是技术世代交替成功的重要因素之一。若转移的难度过高，采用新技术将会造成花费过多、过程冗长的问题，那么新技术的可行性也相对不高。当数十亿的USB装置与PCI介面皆需要转移至新介面时，转移的过程是否容易，就成为了关键因素，这也是PCIe另一个成功的原因。因此在架构设计的类同性方面也应该纳入考量，确保更简易的转移过程。 

对于现今的產品除了硬体的相容性外，软体相容性也非常重要。在从USB 1.1转移至USB 2.0的过程中，业界投入可观的心力来确保装置能相容于既有的驱动程式。PCIe亦延续相同的策略。任何PCI介面卡的驱动程式都不需作任何变更就能支援PCIe解决方案。若已经有分类式驱动程式(Windows内建的驱动程式)，那么开发驱动程式的工作就变得更加容易。PCIe与USB已有许多不错的驱动程式开发套件，因此新设计產品的研发工作都相当类似。事实上，微软新开发的WDF(Windows Driver Foundation)已纳入对USB与PCIe的支援，WDF的目标是让驱动程式的开发工作更加容易，并减少驱动程式当机的机率。 

PCIe直接取代PCI并不困难，因为PCIe与PCI介面卡的大小规格几乎相同，软体介面亦设计成和PCI一样，并预留扩充的弹性与空间，使用者可轻易安装PCI或PCIe介面卡。 

可是也有人不看好PCIe会取代USB的趋势。与PCI相比，USB的主要优点就是让週边装置能以外接的模式连上主控端系统。这让各种规格的装置能轻鬆连结，包括小巧的「大姆哥」一直到体积较大的雷射印表机。USB亦提供较简易的安装流程。一般的家用PC使用者并不知道电脑裡是否有PCI或PCIe插槽，当然更不知道还剩几个插槽可以使用！ 

PCIe与PCI不同之处在于不仅提供机内的连结介面，PCIe提供外接的连结介面，可作为週边装置的连结点。在1991年问市的ExpressCard(图5)新型扩充卡标准，将取代每部笔记型电脑的PC Card插槽。 

ExpressCard可任选USB或PCIe建置 

ExpressCard同时是USB和新规格USB装置的竞争对手，它提供类似USB介面的简易安装流程。事实上它内含USB与PCIe介面，让介面卡厂商能选择PCIe或USB的建置技术。许多厂商正积极重新设计现有的USB产品，并将其纳入ExpressCard的规格。适合采用ExpressCard解决方案的应用包括无线通讯介面，例如蓝芽与802.11。 

ExpressCard推广厂商正努力让桌上型PC产品采用ExpressCard介面。配置在桌上型电脑前方面板的ExpressCard插槽提供一个套高速传输介面，比起打开机壳然后插入PCIe介面卡的方式，在安装方面容易的多，但目前仍没有PC大厂在其桌上型产品中加入ExpressCard插槽。多家PC大厂只在笔记型电脑产品中加入ExpressCard介面，至今还没有推出搭载ExpressCard介面的桌上型产品。 

USB与PCIe介面拥有这么多的相似点，加上愈来愈多对更高频宽週边元件的需求，以及PCIe基础建设的规格，业界需准备好将其高频宽週边元件转移至PCIe资料汇流排。 

这是否意谓USB将会被淘汰？不会！最终USB将继续扮演成本比PCIe低的解决方案，因为USB的针脚数较少。USB IP愈来愈普遍，包括台积电与联电在内的芯片制造商推出IP函式库，让采用这种介面的设计工作愈来愈简单。此外，USB是大家普遍熟悉的技术，而PCIe则是刚发展的新介面。