USB 4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。 1 | USB 4 新功能 1)USB 4只采用USB Type-C连接器,USB 4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USB 4。 5 q7 f, G9 n Q! G1 C& _0 D0 l7 N 2)USB传输速度最快支援40G(20Gbps×2),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USB 4架构的整体速度和性能。 3 ~7 z& Z0 g- S4 n# m% _+ k* f 3)向下相容USB 2.0与USB 3.2及支援Thunderbolt 3。 + p8 H1 M5 M9 X" A 2 | USB 4 连接器与线缆 9 N4 w8 }* R7 U" p6 V USB 4只采用USB Type-C连接器。 / s& J; z; q" e. N/ }6 O USB 4 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USB 4 Gen3的0.8公尺。 0 h2 E( Y5 w# H1 N. S: k 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。 % e% L5 z3 D' c# T USB 4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。 0 {" U! A& C3 d1 z( ^3 q+ M! j 3 | USB 4 架构 USB 4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)。 路由器是USB 4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。 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USB 4 Host在传输USB 3资料(如图2),由内部USB 3 Host透过USB 3 Adapter进行协定封装成USB 4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。 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。 ( w+ c# C; V* n 4 | USB 4 的五个层级 USB 4把功能区分为五个层级。 ( j1 J H- S: p( _$ J Protocol Adapter Layer:负责USB 4与不同协议间进行对应,并把不同协议封装成Tunneled Packet,在USB 4介面内传递。 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。 9 |6 j- i0 S- z( ~% m: H9 S 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。 ! g! l/ y. q8 z/ G/ h J3 V Logical Layer:负责建立2个装置之间的USB 4连接,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。 Electrical Layer:定义USB 4电气讯号的特性,如电压、抖动、编码等。 " i: z$ z5 i9 L; E h, r 以USB 3 Tunneling为例,USB 4 Host透过USB 3 Protocol Adaptor,将USB 3 Protocol经USB 4 Transport Layer、USB 4 Logic Layer、USB 4 Electrical Layer转USB 4 Link传送到USB 4 Hub Electrical Layer。再依图5顺序进行一连串USB 3/USB 4转换,将讯号传送到USB 4 Device。 8 L3 I6 t7 s$ e* | 5 | USB 3 隧道协议 . f4 ^2 n P' v- s USB 4讯号由PCIe、USB 3及DisplayPort隧道协议组成。此篇幅单就USB 3隧道协议讲解。USB 3隧道协议,指的是将原始USB 3封包经由Protocol Adapter Layer 封装成Tunneled封包,藉由图5可以清楚知道,红色部分是USB 3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。 6 | USB 4 产品类型 USB 4 Host:产品有一个以上DFP,没有任何的UFP。 , ]$ k4 m: M& Q8 V5 Z8 d7 e USB 4 Hub:产品有一个UFP,并且有一个或多个DFP。 6 E" J: }/ t0 E; B$ O( ^ USB 4-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。 USB 4 Device:产品有一个UFP,没有任何的DFP。 2 X$ G7 A5 |4 i D' J1 \ 7 | USB 4 支援的隧道协议 0 ^( p1 F5 f1 b 依据规格,对Host/Hub/Dock/Device必须支援的隧道协议有不同要求,如图6,打“V”为必须支援,其余则是可选择支援与否。 ! O" Q4 H6 I9 V2 U' R 例如USB Host必须支援USB 3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling,可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。 8 | USB 4 支援的传输速率 i- p0 \ f6 C/ l- ` 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就一定要支援这两个速度? 对USB 4 Hub与USB 4-Based Dock来说,必须同时支援20Gbps及40Gbps。 3 { g6 k7 s' B# t4 m 对USB 4 Host与USB 4 Device来说,可以只支援20Gbps。40Gbps可列为额外支援,非必要支援速度。 ! O- N! J' ^6 k/ T/ | 结 语 USB 4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,USB 4是一个比较大的挑战,除了产品设计和以往USB 3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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