關(guān)于USB4超詳細(xì)講解

USB 4全名為Universal Serial Bus Generation 4。USB這個(gè)介面在1996年發(fā)布USB 1.0規(guī)格， 傳輸速度支援低速1.5 Mbps與全速12 Mbps，以及之后陸續(xù)發(fā)表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps等，并在2019年9月發(fā)布最新一代USB4規(guī)格，支援20 Gbps與40 Gbps。

USB介面演進(jìn)及相對(duì)應(yīng)的logo。

1 | USB 4 新功能

1）USB 4只采用USB Type-C連接器，USB 4訊號(hào)采雙通道傳輸；而過(guò)去的連接器如USB Type-A或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無(wú)法支援USB 4。

2）USB傳輸速度最快支援40G（20Gbps×2），并可同時(shí)傳送DisplayPort影音。旨在將多種協(xié)議組合到單個(gè)物理接口，可以動(dòng)態(tài)共享USB 4架構(gòu)的整體速度和性能。

3）向下相容USB 2.0與USB 3.2及支援Thunderbolt 3。

2 | USB 4 連接器與線纜

USB 4只采用USB Type-C連接器。

USB 4 Cable被動(dòng)線纜，可支援的被動(dòng)線纜長(zhǎng)度由USB 3.2 Gen2的1公尺，降為USB 4 Gen3的0.8公尺。

若需較長(zhǎng)的線纜，如連接大尺寸螢?zāi)?，或?a target="_blank">VR應(yīng)用，可使用主動(dòng)式線纜。

USB 4主動(dòng)式線纜為含有Repeater元件（如Re-timer、Re-driver等主動(dòng)元件）的線纜，以及光纖線纜等。至于可支援的主動(dòng)式線纜長(zhǎng)度最長(zhǎng)為5公尺。

3 | USB 4 架構(gòu)

USB 4主要構(gòu)成元件有路由器（Router）、適配器（Adapter）以及TMU（Time Management Unit，時(shí)間管理單元）。

路由器是USB 4的一個(gè)主要建構(gòu)模塊，路由器將隧道協(xié)議轉(zhuǎn)換成USB4封包傳送，并透過(guò)TMU來(lái)作時(shí)間同步。主要由USB Host內(nèi)建的Connection Manager 來(lái)偵測(cè)及管理。

適配器是內(nèi)建在路由器里，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進(jìn)行協(xié)定轉(zhuǎn)換。例如USB 4 Host在傳輸U(kuò)SB 3資料（如圖2），由內(nèi)部USB 3 Host透過(guò)USB 3 Adapter進(jìn)行協(xié)定封裝成USB 4 Tunneled Packet。一個(gè)路由器內(nèi)部最多可以支援64個(gè)適配器。

TMU是內(nèi)建在路由器里，使用分布式時(shí)間管理單元（TMU），在路由器間做時(shí)間同步。

4 | USB 4 的五個(gè)層級(jí)

USB 4把功能區(qū)分為五個(gè)層級(jí)。

Protocol Adapter Layer：負(fù)責(zé)USB 4與不同協(xié)議間進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并把不同協(xié)議封裝成Tunneled Packet，在USB 4介面內(nèi)傳遞。

Configuration Layer：負(fù)責(zé)處理由Connection manager傳送來(lái)的控制封包（Control Packets），并附加路徑中對(duì)應(yīng)的地址（address），確保其可靠的傳送機(jī)制。

Transport Layer：定義封包格式、路徑、流量控制與時(shí)序控制，并產(chǎn)生link management Packets以提供時(shí)間同步封包、流量控制封包等。

Logical Layer：負(fù)責(zé)建立2個(gè)裝置之間的USB 4連接，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯(cuò)誤偵測(cè)及復(fù)原機(jī)制，并且透過(guò)Sideband Channel進(jìn)行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

Electrical Layer：定義USB 4電氣訊號(hào)的特性，如電壓、抖動(dòng)、編碼等。

以USB 3 Tunneling為例，USB 4 Host透過(guò)USB 3 Protocol Adaptor，將USB 3 Protocol經(jīng)USB 4 Transport Layer、USB 4 Logic Layer、USB 4 Electrical Layer轉(zhuǎn)USB 4 Link傳送到USB 4 Hub Electrical Layer。再依圖5順序進(jìn)行一連串USB 3/USB 4轉(zhuǎn)換，將訊號(hào)傳送到USB 4 Device。

5 | USB 3 隧道協(xié)議

USB 4訊號(hào)由PCIe、USB 3及DisplayPort隧道協(xié)議組成。此篇幅單就USB 3隧道協(xié)議講解。USB 3隧道協(xié)議，指的是將原始USB 3封包經(jīng)由Protocol Adapter Layer 封裝成Tunneled封包，藉由圖5可以清楚知道，紅色部分是USB 3的封包，而藍(lán)色部分是Tunneled封包，UFP（Upstream Facing Port）與DFP（Downstream Facing Port）之間會(huì)使用Physical Layer傳輸。

6 | USB 4 產(chǎn)品類型

USB 4 Host：產(chǎn)品有一個(gè)以上DFP，沒(méi)有任何的UFP。

USB 4 Hub：產(chǎn)品有一個(gè)UFP，并且有一個(gè)或多個(gè)DFP。

USB 4-Based Dock：產(chǎn)品有一個(gè)UFP，并且有一個(gè)或多個(gè)DFP，且產(chǎn)品內(nèi)還有其他元件的功能，如儲(chǔ)存裝置或網(wǎng)路功能。

USB 4 Device：產(chǎn)品有一個(gè)UFP，沒(méi)有任何的DFP。

7 | USB 4 支援的隧道協(xié)議

依據(jù)規(guī)格，對(duì)Host/Hub/Dock/Device必須支援的隧道協(xié)議有不同要求，如圖6，打“Ｖ”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。

例如USB Host必須支援USB 3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。

8 | USB 4 支援的傳輸速率

USB 4支援USB 4 Gen2的20Gbps及USB 4 Gen3的40Gbps速度，是不是宣告支援USB 4就一定要支援這兩個(gè)速度？

對(duì)USB 4 Hub與USB 4-Based Dock來(lái)說(shuō)，必須同時(shí)支援20Gbps及40Gbps。

對(duì)USB 4 Host與USB 4 Device來(lái)說(shuō)，可以只支援20Gbps。40Gbps可列為額外支援，非必要支援速度。

結(jié) 語(yǔ)

USB 4傳輸速率提升到40 Gbps，并且可以動(dòng)態(tài)分享頻寬，當(dāng)使用一條USB Type-C連接線就可以相容于市面上Thunderbolt 3和Display Port產(chǎn)品，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)更加便利的介面。但對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，USB 4是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)，除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和以往USB 3的產(chǎn)品在架構(gòu)上的差異，加上高頻信號(hào)在PCB及連接器上的衰減，須更關(guān)注高頻阻抗匹配，在開(kāi)發(fā)階段確保傳輸?shù)男盘?hào)品質(zhì)。
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