音频接口——USB 逼 FireWire 出局 ？

kkman2002

转载一篇关于USB和FireWire音频接口的文章，这篇文章对于两个接口有比较深入的分析，对于USB3.0规范的发展趋势，值得关注，如果苹果也加入这个规范，那USB接口的确会走上一个新的台阶，HIFI厂商也必须加以重视了。


      目前音频接口与DAW的传输方式大致分为USB、FireWire和PIC-E，其中PCI-E已经日趋减少，只有少数高端产品在保留PCI-E的产品线，音频接口在个人音乐市场（MI）一直是USB和FireWire在统领大量市场份额。早期的音频接口多数是FireWire的，因为USB那还不普及，FireWire统领天下，不少品牌在那个时候发了家，但今天USB已经非常成熟，已经成为计算机一个标配的通讯接口，就连“苹果”都要放弃FireWire了转向USB了。USB已日趋成熟，USB是否会击垮FireWire？或是与FireWire平分秋色？
首先要熟悉一下两种接口体系简介。
USB:

图1：高速USB2.0

历史：USB代表通用串行总线，USB技术主是微软公司于1994年提出即插即用方案后，于1996年英特尔、微软、康柏、IBM、NEC等几家大厂商发起的新型外设接口标准。
历史背景：USB是微软主导的，并由多家TI领军品牌共同发起的即插即用通讯接口。由于USB是多家品牌共同提出的所以应用面非常广泛，兼容性强。
USB传输协议：USB是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据，最高速度可达480Mbps/S。USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下，设备最多可以获得500mA 的电流。USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速（USB 1.1）或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时（如图1），主机可以通过分离传输来支持它们。一条USB总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备”决定，该设备包括主机、HUB 以及USB 功能设备。USB 体系包括“主机”、“设备”以及“物理连接”三个部分。其中主机是一个提供USB接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是PC，也可以是OTG 设备。一个USB 系统中仅有一个USB 主机；设备包括USB 功能设备和USB HUB，最多支持127 个设备；物理连接即指的是USB 的传输线。在USB 2.0 系统中，要求使用屏蔽的双绞线。
USB 采用轮询的广播机制传输数据，所有的传输都由主机发起，任何时刻整个USB 体系内仅允许一个数据包的传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数据包。USB 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。

[ 本帖最后由 kkman2002 于 2011-4-29 08:33 AM 编辑 ]

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FireWire ：

图2：FireWire

历史：1995年美国电气和电子工程师学会(IEEE)制定了IEEE1394标准，它是一个串行接口，现在确定为400Mbps/s和800Mbps/s，以后有望提高到1.6Gbps/s、3.2Gbps/s。IEEE1394的前身是1986年由苹果电脑(Apple)公司起草的。苹果公司称之为火线(FireWire)并注册为其商标。而Sony公司称之为i.Link。德州仪器公司则称之为Lynx。实际上，上述商标名称都是指同一种技术，即IEEE1394（如图2）。
历史背景： FireWire因为没有共同统一的规范，每次技术革新各品牌没有达成共同协议，所以每种厂家生产的FireWire芯片兼容性相对略差。1995年被IEEE定为IEEE1394-1995技术规范，因为在IEEE1394-1995中还有一些模糊的定义，后来又出了一份补充文件P1394a，用以澄清疑点、更正错误并添加了一些功能。IEEE 1394在推广的最大障碍在于没有主板芯片组直接对IEEE 1394技术提供支持，要实现它必须靠外接控制芯片，这样无疑大大提高了产品成本，这是厂家与顾客都不希望看到的。
FireWire的传输协议：1394接口的传输通过分层协议实现，分为物理层、链路层和处理层。其中处理层用于实现信号的请求和响应协议。其中串行总线管理(Serial Bus Manager)负责系统结构控制。
到底谁的速度快？实际上速度快最终决定的是延迟！想必谁也不能忍受延迟过大的传输方式。关于两者速度方面我们再做一些分析。

[ 本帖最后由 kkman2002 于 2011-4-29 08:41 AM 编辑 ]

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关于速度，我们首先得了解，到底需要多快才能满足我们的需要。

数字音频的数据速率（每秒的字节数）可用下列公式计算 ：
比特深度/8×采样率×声轨数，其得数除以1048576以后得到每秒兆字节（MB/sec）数。
举个例子： 音频接口输入为12通道，录音标准为96kHz/24bit。那么每秒需要传输多少数据呢？

24/8×96000×12=345600

345600/1048576=3.3731026297707539509026172777812≈3.373Mb/sec

也就是传输12个轨道的音频数据流需要的带宽是大约3.373Mb/sec，输入占用3兆多，同时对音频接口的控制方面也是占用带宽的，控制功能越复杂占用的带宽越多。根据USB和FireWire协议标注：

• USB2.0速度为：480Mbps/8=60Mb/sec
• FireWire400为：400Mbps/8=50Mb/sec（1Mbps = 1/8 MB）

传输速度上优势USB胜出。
好在不管是USB还是FireWire传输速度带宽都很高，其中USB2.0能到60Mb/sec，显然USB完胜。

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USB和FireWire谁权限更高？

我们继续看一下在权限方面谁是赢家。

弄明白这个我们先打个通俗的例子吧，就拿交通工具说吧，同样的路程，影响到达时间有几个方面呢？
      首先是车，车的速度快到达时间短，然后是路况，开的兰博基尼可惜在走早高峰的三环，或许还不如夏利上高速来的更快。
那USB和FireWire就是两种不同的车子，他们在总线上的级别便是他们的路况了。
     我们再看一下USB使用的传输模式是必须通过CPU的许可的，USB 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应，握手包表示了传输的成功与否。
    也就是说USB需要等待CPU指令才能传输，当然这个等待是非常非常短暂的以us为时间单位。再简单点，USB占用CPU资源多。
    再看一下FireWire，FireWire的特点是利用等时性传输来保证实时性，可脱离以桌面主机为中心的束缚。FireWire是一个对等的总线，任何一个总线上的设备都可一主动的发出请求最长160us。也就是说FireWire对总线资源的依赖性小。简单说FireWire占用CPU资源相对少。
那么是不是在优先权方面FireWire胜出呢？当然不是！为什么？这得从娘胎里说起！
      USB是Intel和微软倡导的，自然从芯片骨子里就支持的好，Intel早已把USB控制器集成到了南桥芯片组里，所以这种支持是原生的。而FireWire呢？FireWire需要第三方芯片组支持，典型的就是TI的FireWire芯片组了，一般都在火线卡上面能看见。处理时要先过类似于TI的FireWire控制芯片然后在和CPU沟通。由于不止TI一家在研发FireWire芯片，有成百上千的芯片工厂都在生产不同规范的FireWire芯片，其结果就是没有规范兼容性差，在音频接口里很多FireWire产品因为兼容问题而败走麦城。
      USB虽然没有使用FireWire的等时性传输，但因为是原生南桥芯片支持依然能获得高优先权。而FireWire自认为的等时性传输实际上还得经过第三方的芯片才能通过，FireWire比USB多了一个环节。USB获得权限还是高于FireWire的。

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未来趋势

       英特尔(Intel)宣布正与多家业者合作,订定把USB的理论吞吐量提高到4Gbps以上的新一代接口标准，号称传输速率较现有标准10倍。该USB 3.0规格的目标是在应用层提供300Mbytes/seconds的可用速率,并添加新的服务质量性能,好跟另一种互连接口标准Firewire相抗衡。而根据Intel在美国旧金山IDF的最新宣布，新一代的USB标准目标就是超越Firewire。

       Intel的一位工程师表示,他们已经透过软件仿真以5Gbps和25Gbps的速率对新协议的基本版本进行了测试。该链接标准无媒介限制 (media agnostic)，将执行在铜线和光纤上。这种又称为SuperSpeed USB的互连标准，目标是为基于闪存的设备提供服务，包括USB随身碟、摄影机以及媒体播放器，设计目标之一就是为了跟上闪存芯片的传输速度。

      不过Firewire阵营的1394贸易协会(Trade Association)执行总监James Snider却表示:“看来USB3.0的进展迅速，目前有很多种类的产品──包括许多外接硬盘,都采用1394提供速度达800Mbps的最大物理层吞吐量；该组织并预计在明年初推出将速率提高到3.2Gbps的新版本。

      新版Firewire的速度等级将继续采用跟定义现行1394b标准一样的电缆和连接器；那些电缆和连接器的额订速度为10Gbps。Snider并补充,该协会正在审查10G版Firewire规格的提案。

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Apple将转而支持USB 3.0?

图3：USB 3.0

      据了解身为Firewire长期支持者的苹果(Apple)也获邀加入USB3.0阵营，但该公司尚未对邀请作出响应。Apple针对多媒体应用的iMac系列产品都采用Firewire，该领域的应用目前超越USB的能力范围。对此NEC的Katagiri表示，Apple可能被迫转向采用 USB3.0，因为Intel目前是该公司的主要芯片供货商，并将在其芯片组中最终采用USB 3.0（如图3）。
      由此可见上游芯片供应者已经出现倾向于USB阵营了，那我们来看看音频接口的解决方案更倾向于USB还是Firewire？

[ 本帖最后由 kkman2002 于 2011-4-29 08:41 AM 编辑 ]

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音频接口产品线分析（如图4、5）：

图4：音频接口品牌

图5：音频接口产品线分析，点击放大

Avid的Pro Tools HD为PCI-E接口，中端Pro Tools LE以USB做主力。
Firewire：2款。USB：3款。PCI-E：3款。
Lexicon ——USB。
Firewire：1款。USB：6款。
M-Audio——Firewire、USB、PCI。
Firewire：6款。USB：6款。PCI-E：6款。
TC electronic——Firewire
Firewire：4款
RME——PCI-E和Firewire。
Firewire：3款。USB：3款。PCI-E：11款。
MOTU——USB和Firewire。
Firewire：3款。USB：3款。PCI-E：3款。
ECHO——PCI和IEEE1394。
Firewire：5款。PCI-E：3款。
ESI ——USB和PCI
Firewire：1款。USB：6款。PCI-E：5款。
Icon ——USB和PCI
Firewire：1款。USB：3款。PCI-E：2款。
E-mu ——PCI和USB
USB：4款。PCI-E：5款。
PreSonus ——IEEE1394
Firewire：8款。USB：1款。
Focusrite——USB和IEEE1394
Firewire：4款。USB：1款。

        截止到2011年1月底，以上品牌的音频接口采用USB解决方案的共计48款，采用Firewire解决方案的产品40款，采用PCI-E解决方案的41款。

       实际上有更多的产品更倾向于USB阵营，在芯片供应方面使用USB和Firewire的成本是相当的，提供USB解决方案的芯片厂商非常之多，像TI（德州仪器）、Cirrus Logic、ATMEGA等大厂都有USB音频的解决方案。我们拿计算机打个比方就可看出USB的普及程度明显高过Firewire。因为每台计算机都会标配USB接口，但不是每台都标配Firewire接口。加上性能丝毫不低于Firewire，所以今后USB音频接口肯定会盛行。

       另外再说一些题外话，谈一谈各大厂商是用何种解决方案设计音频接口的。
       首先我们先来了解一下如采用Firewire的话，有几种解决方案，在Firewire方面首屈一指的便是TI了，1995 年，德州仪器 (TI) 第一次在数字便携式摄像机中使用 1394 芯片，从而进入了消费类电子产品市场。从那以后，TI 通过开发数字 A/V 消费类产品的指定、低成本部件=持续了其 1394 芯片领导者地位。在这里如果大家手头都有一块卡那么绝对会发现有TSB41开头的芯片，这块芯片是我们音频接口最常用的一款。

      但是请大家注意，大家再回到上面看看Firewire的协议，虽说像TI这样的大厂可以解决Firewire与计算机之间的对话问题，但是Firewire链路层里具体的信号是TI解决不了的。这里面的信号实际上就是AD后的数字信号，而负责处理这些信号的有专门的芯片组，提供这个芯片组的品牌便是大名鼎鼎TC集团旗下的TC Applied Technology公司。大家如果打开以下品牌的Firewire音频接口绝对会发现一块为TCD2220的芯片，使用这块芯片的品牌有大名鼎鼎的Avid的00系列和它旗下的M-audio，像Focusrite、Presonus这样的也再使用，如果你手头有M-audio410的话你可以打开看看有没有这款芯片。那TC自己产品用的什么芯片？TC自己的四款音频接口使用的是TCD2210（如图6）。TCD2210是比2220搞一个级别芯片，TC自己使用最好的，次一点的卖给别人。但如今的TC实在不给力了，连自己的驱动都解决不了如何去给其他品牌的产品提供解决方案？另外据说TCD2220也不是TC自主研发的，技术是从wavefront买来的，wavefront倒闭了自然TC趁虚而入了。

图6：TCD2220芯片

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Firewire会败掉吗？

     这个问题实在太大了，不好准确的判断，但势Firewire必在走下坡路，Firewire是苹果公司倡导的，但如今苹果都倒戈USB了，可见Firewire气数已尽。关键的技术在别人那所以产品受阻是一定的，包括研发推广等等只能依赖。上游品牌都依赖TC Applied Technology的TCD2220解决方案，那TC Applied Technology不给力，这些品牌的Firewire产品只能听天由命了。

USB会统领继续前进吗？

    从统计的产品线分析可以发现采用USB解决方案的共有48个，比Firewire多，因为RME这样有自主研发PCI解决方案的大厂存在Firewire算是最后一名了，Firewire只有40款产品。USB统领势在必得，目前只是时间问题，而提供USB解决方案的上游芯片供应商也立志于研发推广USB芯片产品，像ATMEGA和Cirrus Logic这样的专业大厂会有整套的解决方案提供给音频接口厂商，ATMEGA和Cirrus Logic的势力比TC大得多得多。其中Cirrus Logic便是哈曼集团御用的芯片供应商。
从大的形式上开看，Intel和苹果都在着实的支持USB3.0技术，USB没有败的理由，目前USB还不能完全压倒Firewire，毕竟Firewire以被认可很多年，随着时间的推移USB音频接口产品会越来越多，到那时Firewire便是退役的时候，原因很简单想必某些音频接口厂家也不愿使用Firewire的单一芯片供应商的解决方案来约束自己的产品线。
    在我们数字音频接口领域，传输方式的趋势依然是倾向USB的，在上游的芯片厂商都已经全力支持USB的情况下，USB一定能一路走好。

over

芍药

数码接口真是大起大落，不胜唏嘘。当年使用苹果机器作业时候就看中其稳定的平台与火线传输。

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目前HIFI还是偏爱苹果，乔布斯的人缘比盖茨好多了，哈哈