原创 USB4™ 全方位技术剖析

原创声明

作者：GRL实验室 林志徽 Caspar Lin

USB4™ 介绍

USB4 全名为 Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个接口在 1996 年发布 USB 1.0 规格, 传输速度支持低速1.5 Mbps与全速 12 Mbps，以及之后陆续发表支持速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，并在2019年9月发布最新一代 USB4规格，支持20Gbps 与40 Gbps。USB接口演进及相对应的logo，请参考表一。

(表一)

USB4™新功能3个重点

1.      USB4 只采用 USB Type-C 连接器。USB4讯号采双信道传输。而过去的连接器如USB Type-A或Micro-B，仅支持单通道传输，无法支持USB4。

2.      USB传输速度最快支持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。

3.      向下兼容USB 2.0与USB 3.2及支持Thunderbolt 3。

USB4™ 连接器与线缆3个重点

1.      USB4只采用USB Type-C连接器。

2.      USB4 Cable被动线缆，可支持的被动线缆长度由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，如连接大尺寸屏幕，或是VR 应用，可使用主动式线缆。USB4主动式线缆为含有Repeater 组件（如 Re-timer，Re-driver 等主动组件）的线缆，及光纤线缆等。可支持的主动式线缆长度最长为5公尺, 而光纤线缆最长可以支持50公尺。

USB4架构上3个重点

USB4主要构成组件有Router (路由器)，Adapter (适配器)，以及TMU (Time Management Unit，时间管理单元)。

1.      Router是USB4的一个主要建构模块，Router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。

2.      Adapter 是内建在Router里，主要功能为Router与外部组件沟通的媒介，进行协议转换。例如USB4 Host在传输USB3数据（如下图），由内部 USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协议封装成 USB4 Tunneled Packet。一个Router内部最多可以支持64个Adapter。

3.      TMU是内建在Router 里，使用分布式时间管理单元（TMU），在 Router间做时间同步。

USB4依功能层级分为5种

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。

2. Configuration Layer: 负责处理由Connection manager传送来的Control Packets，并附加路径中对应的地址 (address)，确保其可靠的传送机制。

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。

4. Logical Layer: 负责建立2个装置之间的 USB4 链接，提供数据传送与接收、编码与译码，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，包括速度及双信道沟通。

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

如下图，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。再依下图顺序进行 一连串USB3/USB4 转换，将讯号传送到USB4 Device。

USB3 隧道协定

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, 藉由以下的图片可以清楚知道, 红色部分 是 USB3 的封包而蓝色部分是Tunneled封包, UFP与DFP之间会使用Physical Layer传输。

Note: UFP: Upstream Facing Port，DFP: Downstream Facing Port

USB4的产品有4种类型

1. USB4 Host: 产品有一个以上 DFP。没有任何的 UFP。

2. USB4 Hub: 产品有一个 UFP，并且有一个或多个 DFP。

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 device 的功能，如储存装置或网络功能。

4. USB4 Device: 产品有一个 UFP，没有任何的 DFP。

Note: UFP: Upstream Facing Port，DFP: Downstream Facing Port

USB4 支持的隧道协议

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

例如USB Host必须支持 USB3、DisplayPort与Host-to-Host Tunneling，可以不支持 PCI Express与TBT3 Tunneling。

USB4 支援的传输速率

USB4支援USB4 Gen2的20Gbps及USB4 Gen3的40Gbps速度，是不是宣告支持USB4 就一定要支持这两个速度？

• 对USB4 Hub与USB4-Based Dock来说，必须同时支持20Gbps及40Gbps。

• 对USB4 Host与USB4 Device 来说，可以只支持 20Gbps。（40Gbps 可列为额外支持，非必要支持速度）。

结论

USB4传输速率提升到40 Gbps，并且可以动态分享带宽,当使用一条 USB Type-C 连接线就可以兼容于市面上 Thunderbolt 3 和 Display Port 产品，对于消费者来说是一个更加便利的界面。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质量。

免责声明

本信息仅为便于参照而提供。本信息不是且不应视为 USB Implementers Forum (USB-IF) 之正式通讯。USB-IF 之正式通讯可于其网站 usb.org 取 得，或直接自 USB-IF 取得。

参考文献：

Universal Serial Bus 4 (USB4™) Specification Version 1.0 August, 2019