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[声卡] USB 声卡 与 FIREWIRE 声卡区别及其发展趋势

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发表于 2009-1-22 | |阅读模式
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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?  P# |# Q# ~2 ^- G2 U' w( P5 i

' Q5 H, C5 x# v( z首先要熟悉一下两种接口体系简介。
) U( m2 q& C! y" L1 c% e# @9 y
. @5 r" ~( Y9 aUSB:
8 r$ J: s& s/ ?9 i3 w& |; I
/ ?" A- {/ |: A0 \; p0 i 1.jpg 7 ]. d0 p1 h8 l  }( J
  图1:高速USB2.0/ s1 @& s$ _" R" b: X3 a9 P

3 ^  |. B/ x3 c+ k" D# m; g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。
. R; i2 d) W' R5 m& e5 E/ z
; i, N' P8 e3 o# B, D; j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。' v$ @% @3 p5 k/ D2 {1 s

( d+ G5 N) l1 k3 T; WUSB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。. `( L$ P4 `2 P# z
6 i- I* d1 d# \8 ?. g
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。2 p) o: P8 n+ p- d- N1 A
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FireWire :* Z* J6 n. m4 y9 t0 l$ v
  ~9 P8 A- [& H: R! R
2.jpg
, L8 \) f  I2 e/ V6 a, \   图2:FireWire
1 V; B: ]. O/ T2 z8 g+ I
3 _/ d. ]" W, n4 R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)。
" Z# H$ r0 ~) L. X% Y4 _" T9 J* o
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。
6 r' D  F, j4 o0 I9 V# ?* dFireWire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。
0 n0 A$ u/ Z  p" i' }5 J5 e' ~7 D; n; {! p" x, Z4 q
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。( W. V  U3 {* C  h# J9 ?
3.jpg
+ L8 q3 b3 V4 H. J9 R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。
* j  c% A1 K+ e9 d 4.jpg 7 Q1 N7 t) B$ Y. I' f: B6 S2 U- h
数字音频的数据速率(每秒的字节数)可用下列公式计算 :
5 `$ e+ n/ ]! Q6 K3 f& B
+ @3 M& j% {9 P* V8 L1 u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。% J- ~( w4 z) N: p1 {
5_.jpg
  C" U" E9 |- A2 s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?
$ n, i' F& T: ^5 s0 A8 G4 K
. N0 g' i- ]2 S7 q# X* d24/8×96000×12=345600
( z: y! c. z, ?- m345600/1048576=3.3731026297707539509026172777812≈3.373Mb/sec2 ~+ o5 a4 @" m9 g7 e% b/ C
6.jpg ! a- u: l! c' G! p
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:
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 楼主| 发表于 2009-1-22 |
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# g2 P8 L+ T$ |- z: J, h3 FUSB2.0速度为:480Mbps/8=60Mb/sec : u2 A, K' z' I1 p% y$ Z
FireWire400为:400Mbps/8=50Mb/sec(1Mbps = 1/8 MB)
" ]* {$ e7 M9 U$ _4 U/ T2 ?传输速度上优势USB胜出。
6 s7 ~, z# L- c6 s% C. O: X; u' }4 C2 Z( v
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。. m0 }" [+ z9 E

- M5 s$ o7 g6 h6 V, Y! bUSB和FireWire谁权限更高?" J0 p9 v: w: |& C3 h
+ H' k+ k1 r9 s
我们继续看一下在权限方面谁是赢家。1 O3 R; r8 t- C. e
  Q0 t3 S8 S* d6 `- N: e% X+ h* A5 i
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?
0 G8 n& j( E, E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。: t( E, F8 S3 Q9 p- X# h/ M  o+ y) y4 Q
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。) p( {  O: f: K4 O" ^! E

) \, f" K- Q( {) U: @7 }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。
8 |) g3 @7 ], Q5 V0 [( B4 m- h. G
, g3 C4 _) e" Z' p2 k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。
6 n; {0 w/ j  B1 n  a9 G" ]/ e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。! q0 ?* Y: r  S9 o9 c& c7 u  x

$ n: v0 v$ m4 d0 _5 W; T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!
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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。
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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。
3 \9 ]6 I) _! t: E4 c4 o) {# x3 s; D4 t" C7 D; c
未来趋势
8 _2 M+ I# J5 T# [. \& r) r- ?- s  p; d
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。+ M! j$ S/ j$ w( ~4 ~0 W* a, t# w
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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。5 G3 @6 _9 O. \0 {7 N, t
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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。+ H4 y' f% r" O0 C2 l

0 q+ i: z- Z+ r# @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。, r) f* _7 F5 y0 c2 j
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Apple将转而支持USB 3.0?6 p- u9 ]3 [: F, S# L9 s

# k* g# h2 d/ M) |% J8 a
( x: u: c. ?# M) z图3:USB 3.0
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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)。
$ u2 S& V) G/ u/ G5 Z7 x. Q. u3 f9 K, U5 R  |& u' ?
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?0 g4 ]' L6 W  ]. P; t" c: C  M! }

2 l4 y, k( u( f& b: `音频接口产品线分析(如图4、5):
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5 N! `: d" G* _+ _" r4 \, `- N5 @图4:音频接口品牌0 k6 p1 B0 L, p5 ^# z  q
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, q% {  }( l, d- v
图5:音频接口产品线分析,点击放大
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1 q, L9 I. G3 N# yAvid的Pro Tools HD为PCI-E接口,中端Pro Tools LE以USB做主力。
9 I' D+ C4 W6 d1 N/ G1 ]Firewire:2款。USB:3款。PCI-E:3款。3 v/ B7 N% r4 w: y. n
9 X0 x. y4 B. v4 Y
Lexicon ——USB。* Q+ _% ~2 U! z1 O3 K* w* p
Firewire:1款。USB:6款。* Q) G3 S5 ]. E& `* C

+ T5 ]$ R; G9 ]+ c1 J! }( fM-Audio——Firewire、USB、PCI。! f# `" Y/ h8 v
Firewire:6款。USB:6款。PCI-E:6款。
4 [4 _& b4 h: z( m3 t% R
( e) J  Q' t) X5 I& _# e  ?TC electronic——Firewire
8 f+ s9 D# B& YFirewire:4款$ m: X( E" C3 c+ N

' Q! y6 k! D( R3 hRME——PCI-E和Firewire。
* X4 m. N1 G6 N' B* A% S9 ^- KFirewire:3款。USB:3款。PCI-E:11款。' s, F, o. ^$ M+ x4 p) I, `) H" K
( `/ l- E2 P" \" i: C
MOTU——USB和Firewire。
% F- S" B% y" s$ W6 c/ _Firewire:3款。USB:3款。PCI-E:3款。  t# a, J6 S: w; ^/ O: J% Y! j
8 e$ ^$ q; H; J- H& \3 J( e, [
ECHO——PCI和IEEE1394。) m+ J) a1 C( Z; _
Firewire:5款。PCI-E:3款。
, p+ I+ M) t& k$ ?: z9 x9 y
. e: f9 J, {" W" Y( O, @ESI ——USB和PCI, [" d1 F. |9 ~8 o& _* F, H( H
Firewire:1款。USB:6款。PCI-E:5款。! m1 g( l* N+ b# v: c* a

1 Y! V+ W; q: z% ~* ^Icon ——USB和PCI  `* t5 o. M$ X% `! C( d
Firewire:1款。USB:3款。PCI-E:2款。' _4 u4 G  I6 B$ q) `6 o% v
9 d9 ^: F9 }1 f2 E
E-mu ——PCI和USB" r" I) B$ g& q1 @+ |/ @
USB:4款。PCI-E:5款。
7 k/ S% q" x3 k4 H
3 ^7 v, |0 ~( s3 F& tPreSonus ——IEEE13940 r/ D4 i. O& v( O1 W, Y7 P
Firewire:8款。USB:1款。+ M( T' h" N: U; [: i' K

" W2 a" E5 ]' y0 Q" U9 f) Q/ UFocusrite——USB和IEEE1394
# @- o9 m5 v( a+ o2 xFirewire:4款。USB:1款。
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2 F+ h# v+ K  T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。# }3 |- ]5 k& z  P
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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。
9 H( W7 S5 N$ O6 h2 O2 H. k3 v1 L! P0 l8 Y
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。
8 \2 W; ?! l+ @) A. A2 m+ u* `, B& p' p+ I$ u8 E4 A- w1 j
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。, r3 M7 \% I  B+ s

' k" ^6 M# I3 p, S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。$ _3 {& l3 ]  Q4 o' y9 \5 f

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# z( g8 \; a* g图6:TCD2220芯片3 |* }' b. W' F) O) l5 F

8 }/ J/ [- T8 L7 u& n1 F. W- pFirewire会败掉吗?
7 _) p- e+ E; ~! N+ ?! ?9 y' N
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。
" W' l+ M3 I1 A2 S. l. U; u0 xUSB会统领继续前进吗?
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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。
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3 v8 w8 G" N/ s- @: M2 p" w; W" x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。
& \- o1 D& y$ C3 C
- Y; S1 N" _# @$ t3 p+ w0 k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。2 `" P( ]+ \1 @& ?2 r
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