USB4介绍的详细资料分析

2021-12-29 13:37:15 3

USB4全名为UniversalSerialBusGeneraTIon4。USB这个介面在1996年发布USB1.0规格，传输速度支援低速1.5Mbps与全速12Mbps，以及之后陆续发表支援速度480Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps等，并在2019年9月发布最新一代USB4规格，支援20Gbps与40Gbps。USB介面演进及相对应的logo，请参考图表一。

图表一

USB4新功能三大重点

1.USB4只采用USBType-C连接器，USB4讯号采双通道传输;而过去的连接器如USBType-A或Micro-B，仅支援单通道传输，无法支援USB4。

2.USB传输速度最快支援40G（20Gbpsx2），并可同时传送DisplayPort影音。旨在将多种协议组合到单个物理接口，可以动态共享USB4架构的整体速度和性能。

3.向下相容USB2.0与USB3.2及支援Thunderbolt3。

USB4连接器与线缆重点

1.USB4只采用USBType-C连接器。

2.USB4Cable被动线缆，可支援的被动线缆长度由USB3.2Gen2的1公尺，降为USB4Gen3的0.8公尺。

3.若需较长的线缆，如连接大尺寸萤幕，或是VR应用，可使用主动式线缆。USB4主动式线缆为含有Repeater元件（如Re-TImer，Re-driver等主动元件）的线缆，以及光纤线缆等。至于可支援的主动式线缆长度最长为5公尺。

USB4架构重点

USB4主要构成元件有路由器（Router），适配器（Adapter），以及TMU（TImeManagementUnit，时间管理单元）。

1.路由器是USB4的一个主要建构模块，路由器将隧道协议转换成USB4封包传送，并透过TMU来作时间同步。主要由USBHost内建的ConnecTIonManager来侦测及管理。

2.适配器是内建在路由器里，主要功能为路由器与外部元件沟通的媒介，进行协定转换。例如USB4Host在传输USB3资料（如图二），由内部USB3Host透过USB3Adapter进行协定封装成USB4TunneledPacket。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。

3.TMU是内建在路由器里，使用分布式时间管理单元（TMU），在路由器间做时间同步。

图二

USB4以功能区分五种层级

1.ProtocolAdapterLayer：负责USB4与不同协议间进行对应，并把不同协议封装成TunneledPacket，在USB4介面内传递。

2.ConfigurationLayer：负责处理由Connectionmanager传送来的控制封包（ControlPackets），并附加路径中对应的地址（address），确保其可靠的传送机制。

3.TransportLayer：定义封包格式、路径、流量控制与时序控制，并产生linkmanagementPackets以提供时间同步封包、流量控制封包等。

4.LogicalLayer：负责建立2个装置之间的USB4连结，提供资料传送与接收、编码与解码，电源管理，错误侦测及复原机制，并且透过SidebandChannel进行通道初始化的沟通，包括速度及双通道沟通。

5.ElectricalLayer：定义USB4电气讯号的特性，如电压、抖动、编码等。

图三

如图四，以USB3Tunneling为例，USB4Host透过USB3ProtocolAdaptor，将USB3Protocol经USB4TransportLayer、USB4LogicLayer、USB4ElectricalLayer转USB4Link传送到USB4HubElectricalLayer。再依图四顺序进行一连串USB3/USB4转换，将讯号传送到USB4Device。

图四

USB3隧道协议

USB4讯号由PCIe、USB3及DisplayPort隧道协议组成。此篇幅单就USB3隧道协议讲解。USB3隧道协议，指的是将原始USB3封包经由ProtocolAdapterLayer封装成Tunneled封包，藉由图五可以清楚知道，红色部分是USB3的封包，而蓝色部分是Tunneled封包，UFP（UpstreamFacingPort）与DFP（DownstreamFacingPort）之间会使用PhysicalLayer传输。

图五

USB4产品类型

1.USB4Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。

2.USB4Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。

3.USB4-BasedDock：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP，且产品内还有其他元件的功能，如储存装置或网路功能。

4.USB4Device：产品有一个UFP，没有任何的DFP。

USB4支援的隧道协议

依据规格，对Host/Hub/Dock/Device必须支援的隧道协议有不同要求，如下图，打“V”为必须支援，其余则是可选择支援与否。

例如USBHost必须支援USB3、DisplayPort与Host-to-HostTunneling，可以不支援PCIExpress与TBT3Tunneling。

图六

USB4支援的传输速率

USB4支援USB4Gen2的20Gbps及USB4Gen3的40Gbps速度，是不是宣告支援USB4就一定要支援这两个速度？

对USB4Hub与USB4-BasedDock来说，必须同时支援20Gbps及40Gbps。

对USB4Host与USB4Device来说，可以只支援20Gbps。（40Gbps可列为额外支援，非必要支援速度）。

图七

结论

USB4传输速率提升到40Gbps，并且可以动态分享频宽，当使用一条USBType-C连接线就可以相容于市面上Thunderbolt3和DisplayPort产品，对于消费者来说是一个更加便利的介面。但对于产品开发者来说，USB4是一个比较大的挑战，除了产品设计和以往USB3的产品在架构上的差异，加上高频信号在PCB及连接器上的衰减，须更关注高频阻抗匹配，在开发阶段确保传输的信号品质。

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