USB4 全名为Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个介面在1996 年发布USB 1.0 规格, 传输速度支援低速1.5 Mbps 与全速12 Mbps,以及之后陆续发表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等,并在2019年9 月发布最新一代USB4 规格,支援20 Gbps 与40 Gbps。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USB Type-C 连接器,USB4 讯号采双通道传输; 而过去的连接器如USB Type-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 (20Gbps x2),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。 0 b' ^" M+ t8 W8 l6 P. V6 b# y4 z$ E 3. 向下相容USB 2.0 与USB 3.2及支援Thunderbolt 3。 7 \. q4 q5 s- ], t3 q USB4连接器与线缆重点 % o: H k7 s. d" I. f+ K 1.USB4 只采用USB Type-C 连接器。 8 \& C( ?$ D# h$ N2 Y" n& X 2. USB4 Cable 被动线缆,可支援的被动线缆长度由USB 3.2 Gen2 的1 公尺,降为USB4 Gen3 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 / Q! \ _& W# j" \ USB4 主要构成元件有路由器(Router) ,适配器(Adapter),以及TMU (Time Management Unit,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USB Host 内建的Connection Manager 来侦测及管理。 ' x0 G: E9 U; G% `, e& [ 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USB4 Host在传输USB3 资料(如图二),由内部USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协定封装成USB4 Tunneled Packet。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 2 w- W1 J4 C- R4 D2 q USB4以功能区分五种层级 2 j9 [8 X$ L1 z1 r% { 1. Protocol Adapter Layer:负责USB4 与不同协议间进行对应,并把不同协议封装成Tunneled Packet,在USB4 介面内传递。 3 r/ }$ }* Q5 s% e4 s6 b0 K 2. Configuration Layer:负责处理由Connection manager 传送来的控制封包(Control Packets) ,并附加路径中对应的地址(address),确保其可靠的传送机制。 . g& k/ a# l% \$ _ 3. Transport Layer:定义封包格式、路径、流量控制与时序控制,并产生link management Packets 以提供时间同步封包、流量控制封包等。 ' z& g) _. b0 } 4.Logical Layer: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Sideband Channel 进行通道初始化的沟通,包括速度及双通道沟通。 5. Electrical Layer:定义USB4 电气讯号的特性,如电压、抖动、编码等。 图三 如图四,以USB3 Tunneling为例,USB4 Host 透过USB3 Protocol Adaptor,将USB3 Protocol 经USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 转USB4 Link 传送到USB4 Hub Electrical Layer。再依图四顺序进行一连串USB3/USB4 转换,将讯号传送到USB4 Device。 * f8 o8 Z6 r6 D0 \4 N ]
图四 5 m' o( H) T) w- t8 G USB3 隧道协议 / }1 F1 G+ d* I4 F% Z 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Protocol Adapter Layer 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(Upstream Facing Port)与DFP(Downstream Facing Port)之间会使用Physical Layer 传输。 图五 1 l5 d' w" l/ U, F1 e {8 V4 n% d USB4产品类型 1. USB4 Host:产品有一个以上DFP,没有任何的UFP。 ' I( a( p' n8 a3 l8 o$ F 2.USB4 Hub:产品有一个UFP,并且有一个或多个DFP。 6 t$ w/ q- B$ d" u% Z2 o 3.USB4-Based Dock: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.USB4 Device: 产品有一个UFP,没有任何的DFP。 7 e* _2 E, Z$ l) v& R$ U USB4支援的隧道协议 ( m$ V! q. c2 Y% D1 k- O4 X8 y6 M 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USB Host 必须支援USB3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling,可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。 图六 USB4支援的传输速率 ! H3 T/ y W5 u/ Z& G USB4 支援USB4 Gen2 的20Gbps 及USB4 Gen3 的40Gbps 速度,是不是宣告支援USB4 就一定要支援这两个速度? " a, A, Q7 P6 X 对USB4 Hub 与USB4-Based Dock 来说,必须同时支援20Gbps 及40Gbps。 y6 ?* n/ P* x/ E( q9 N" f 对USB4 Host 与USB4 Device 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 9 _1 h7 R5 k, ]- b 结论 8 i2 w/ M/ }# x USB4 传输速率提升到40 Gbps,并且可以动态分享频宽,当使用一条USB Type-C 连接线就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 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。 |