如何通過USB-C定義USB4

USB-C 連接器是統(tǒng)治它們的唯一連接器。它的定義具有極好的靈活性，并已在不同的互連中廣泛采用。在嘗試重新定時通過其運行的信號時，這種使用的靈活性和多樣性也是許多困難的根源，特別是在有源電纜中。重定時器的這些困難的一個關鍵來源是 USB-C 支持的所有選項和模式之間的許多交互。

USB-C 通過一系列替代或“Alt”模式支持 USB、Thunderbolt、DisplayPort、HDMI 和 MHL 以及其他新興協(xié)議。每個都有自己的協(xié)議和物理層，必須由重定時器單獨處理。它們是由不同的群體在不同的時間和不同的目的定義的。協(xié)議層彼此不同。物理層也以不同的方式定義，具有不同的速率和顯著的向后兼容性模式和約束。它們可以組合在一起并在一個連接器定義上運行，這是一項巧妙的工程壯舉。

圖 1：定義了多個協(xié)議以使用 Alt 模式在 USB-C 連接器上運行。

USB-C 還支持可逆性，其中連接器可以在二維中任意對齊插入。第一個對齊維度是電纜的每一端都可以連接到主機端或外圍端，并且在插入之前不知道對齊情況。USB-C 對這兩者有完全對稱的插頭和插座定義角色，是對 USB-A 連接器的重大改進。各種協(xié)議都有主機驅動的配置周期，因此區(qū)分命令來自哪一側對于重定時器必須參與這些周期的有源電纜很重要。這意味著重定時器必須足夠靈活，以接受、處理和傳播來自和傳播到任一方向的開銷數(shù)據(jù)包。

圖 2：USB-C 有源電纜必須處理任一方向的配置流程。

第二個對齊維度是電纜的每一端都可以插入，插頭的任一側在頂部。為了讓用戶不必摸索插頭的方向，USB-C 被定義為允許插頭在兩端向上插入。這又是對 USB-A 連接器的重大改進，它通過將每個方向上的兩對中的每一對定義為在連接器的相對角中固定來實現(xiàn)。包括電源、接地和邊帶信號在內(nèi)的所有其他連接也以對稱方式定義。在某些應用場景中，反轉控制很重要，因此能夠在內(nèi)部翻轉導線之間的連接是全功能 USB-C 重定時器的要求。

圖 3：USB-C 的線-線連接可以翻轉，具體取決于它的插入方式。

USB-C 重定時器還必須與供電 （PD） 控制器交互。USB-C 允許生產(chǎn)者和消費者就通過鏈路傳輸?shù)碾娏M行協(xié)商。因此，USB-C 重定時器需要支持 PD 控制器的兩線接口 （TWI）。

USB-C 重定時器必須支持一種以上的時鐘模式。模式是位級重定時 （BLR） 和具有獨立 SSC （SRIS） 的獨立參考時鐘。

USB-C 還允許某些多功能模式。一個例子是，一個高速通道是 USB 3.2，另一個通道是 DisplayPort。重定時器無法提前確定所需的配置。相反，它是在與外圍設備協(xié)商后由主機根據(jù)需要聲明的。

由于 20 Gbps SerDes 速率，USB4 是需要重定時器而不是重驅動器來完成工作的一代。模擬轉接驅動器的三個主要缺點是：

轉接驅動器會放大信號及其內(nèi)部接收器噪聲。

轉接驅動器僅部分清除符號間干擾 （ISI）。

轉接驅動器不會恢復眼寬并允許傳播抖動。

結果，無法利用轉接驅動器之前和之后的鏈路的全部范圍。每個位置都必須采用較短的走線長度，以最大限度地減少增加的噪聲、殘余 ISI、抖動和窄眼寬的影響。由于這些問題，系統(tǒng)開發(fā)人員在理解和描述轉接驅動器對所有設想使用場景的終端系統(tǒng)的復雜影響方面承擔了很大的責任。當數(shù)據(jù)路徑中使用多個重定時器時，這些問題會成倍增加。

圖 4：重定時器完全恢復信號。重新驅動程序沒有。

USB4 也是需要在物理上靠近每個端口的重定時器的一代，除了最小的外形尺寸。這是因為要使 USB4 端口達到其全部范圍，損耗預算不能用完從微處理器到 USB-C 連接器的印刷電路板 （PCB）。在大多數(shù)早期版本中，PCB 上的損耗可以被吸收到損耗預算中。在 USB4 的大多數(shù)主機場景中，都需要重定時器，尤其是當系統(tǒng)不想使用最昂貴的 PCB 材料類型時。當然，如果可以將連接器直接放在微處理器旁邊，則可能不需要重定時器。

圖 5：USB4 是需要在連接器附近使用重定時器的一代。

在某些應用中，微處理器只有一個通用 SerDes，不支持 USB4 和其他協(xié)議的全部要求。在其中一些情況下，需要緊鄰主機的第二個重定時器。

此外，USB4也是有源線纜將走在前列的一代。到目前為止，USB 大部分都可以通過無源電纜來解決。雖然無源電纜仍然是 USB4 在最短距離內(nèi)的一種選擇，但在許多情況下都需要有源電纜。由于重定時器所需的功耗增加，這一事實將影響 USB4 在某些應用中的實用性。

一些協(xié)議已經(jīng)為主機定義了進入一系列重定時器中的每一個并調(diào)整每個重定時器的均衡器參數(shù)的方法。這些協(xié)議中有多種模式定義對稱和非對稱方法。USB-C 重定時器必須參與所有這些協(xié)議。

圖 6：重定時器序列將在 USB4 中變得普遍。

由于 USB4 周圍具有挑戰(zhàn)性的信號完整性環(huán)境，重定時器可能支持眼圖功能，例如眼圖高度和眼圖寬度測量。還需要能夠生成和檢查 PRBS 模式的誤碼測量。

好像 USB4 還不足以自行重定時，必須支持這些附加功能。所有這些因素的結合使 USB4 over USB-C 的多協(xié)議重定時器成為有史以來最復雜的重定時器。一些可用的重定時器解決方案支持 USB4、DisplayPort 和 Thunderbolt 協(xié)議，允許方向反轉，支持連接器翻轉和外部 PD 控制器，并提供廣泛的測試和測量功能。Kandou 提供了一種這樣的解決方案。

重定時器對于互連設計來說從未像現(xiàn)在這樣重要，并且對于 USB4 和為 USB-C 定義的其他高速協(xié)議的成功運行至關重要。

Brian Holden是 Kandou 的標準副總裁。此前，他曾擔任光互聯(lián)網(wǎng)絡論壇 （OIF） 市場意識和教育委員會主席、Hypertransport Consortium 主席和研究員、PMC-Sierra 標準總監(jiān)以及 StrataCom 經(jīng)理和聯(lián)合創(chuàng)始人。 Brian 在 GTE 開始了他的職業(yè)生涯。他獲得了加州大學戴維斯分校的電氣工程理學學士學位和康奈爾大學的 MBA 學位。他擁有49項美國專利。