USB4介紹的詳細(xì)資料分析

USB4 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，請(qǐng)參考圖表一。

圖表一

USB4新功能三大重點(diǎn)

1. USB4 只采用USB Type-C 連接器，USB4 訊號(hào)采雙通道傳輸; 而過去的連接器如USB Type-A 或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB4。

2. USB 傳輸速度最快支援40G （20Gbps x2），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USB4 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。

USB4連接器與線纜重點(diǎn)

1.USB4 只采用USB Type-C 連接器。

2. USB4 Cable 被動(dòng)線纜，可支援的被動(dòng)線纜長度由USB 3.2 Gen2 的1 公尺，降為USB4 Gen3 的0.8 公尺。

3. 若需較長的線纜，如連接大尺寸螢?zāi)?，或?a href="http://ttokpm.com/v/tag/3668/" target="_blank">VR 應(yīng)用，可使用主動(dòng)式線纜。USB4 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)式線纜長度最長為5 公尺。

USB4架構(gòu)重點(diǎn)

USB4 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）。

1. 路由器是USB4 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TMU來作時(shí)間同步。主要由USB Host 內(nèi)建的Connection Manager 來偵測(cè)及管理。

2.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USB4 Host在傳輸U(kuò)SB3 資料（如圖二），由內(nèi)部USB3 Host 透過USB3 Adapter 進(jìn)行協(xié)定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個(gè)路由器內(nèi)部最多可以支援64個(gè)適配器。

3.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。

圖二

USB4以功能區(qū)分五種層級(jí)

1. Protocol Adapter Layer：負(fù)責(zé)USB4 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USB4 介面內(nèi)傳遞。

2. Configuration Layer：負(fù)責(zé)處理由Connection manager 傳送來的控制封包（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。

3. 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。

4.Logical Layer：負(fù)責(zé)建立2 個(gè)裝置之間的USB4 連結(jié)，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Sideband Channel 進(jìn)行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

5. Electrical Layer：定義USB4 電氣訊號(hào)的特性，如電壓、抖動(dòng)、編碼等。

圖三

如圖四，以USB3 Tunneling為例，USB4 Host 透過USB3 Protocol Adaptor，將USB3 Protocol 經(jīng)USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉(zhuǎn)USB4 Link 傳送到USB4 Hub Electrical Layer。再依圖四順序進(jìn)行一連串USB3/USB4 轉(zhuǎn)換，將訊號(hào)傳送到USB4 Device。

圖四

USB3 隧道協(xié)議

USB4 訊號(hào)由PCIe、USB3 及DisplayPort 隧道協(xié)議組成。此篇幅單就USB3 隧道協(xié)議講解。USB3 隧道協(xié)議，指的是將原始USB3 封包經(jīng)由Protocol Adapter Layer 封裝成Tunneled 封包，藉由圖五可以清楚知道，紅色部分是USB3 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。

圖五

USB4產(chǎn)品類型

1. USB4 Host：產(chǎn)品有一個(gè)以上DFP，沒有任何的UFP。

2.USB4 Hub：產(chǎn)品有一個(gè)UFP，并且有一個(gè)或多個(gè)DFP。

3.USB4-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。

4.USB4 Device： 產(chǎn)品有一個(gè)UFP，沒有任何的DFP。

USB4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，如下圖，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USB3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。

圖六

USB4支援的傳輸速率

USB4 支援USB4 Gen2 的20Gbps 及USB4 Gen3 的40Gbps 速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援這兩個(gè)速度？

對(duì)USB4 Hub 與USB4-Based Dock 來說，必須同時(shí)支援20Gbps 及40Gbps。

對(duì)USB4 Host 與USB4 Device 來說，可以只支援20Gbps。（40Gbps 可列為額外支援，非必要支援速度）。

圖七

結(jié)論

USB4 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)者來說是一個(gè)更加便利的介面。但對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)者來說，USB4 是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)，除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和以往USB3 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，在開發(fā)階段確保傳輸?shù)男盘?hào)品質(zhì)。