关于USB4超详细讲解

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。

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）向下相容USB 2.0与USB 3.2及支援Thunderbolt 3。

2 | USB 4 连接器与线缆

USB 4只采用USB Type-C连接器。

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。

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。

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。

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。

4 | USB 4 的五个层级

USB 4把功能区分为五个层级。

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。

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。

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。

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。

5 | USB 3 隧道协议

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。

USB 4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。

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。

7 | USB 4 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，如图6，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

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。

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。

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。
编辑：lyn