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USB4 Specification 已經(jīng)在2019年8月29日發(fā)布,下載鏈接:https://www.usb.org/document-library/usb4tm-specification。本文主要介紹一下USB4和前幾代的區(qū)別,想了解細節(jié)的可以自行下載閱讀。USB接口從1996年發(fā)布至今,從1.0走到了4.0,速率從最初的1.5Mbps到最新的40Gbps,但是其命名和改名之路則是一個讓人頭疼的過程,下面通過一個簡單的表格進行梳理:



版本


時間


初版命名


第一次改名時間


第一次改名


第二次改名時間


第二次改名


特性


USB 1.0


1996



2003


USB 2.0低速




速率1.5Mbps;電流5V@500mA


USB 1.1


1998



2003


USB 2.0全速




速率12Mbps;電流5V@500mA


USB 2.0


2000



2003


USB 2.0高速




速率480Mbps;電流5V@500mA


USB OTG


2001







速率480Mbps;電流5V@500mA


USB 3.0


2008


SuperSpeed


2013


USB 3.1 Gen1


2017


USB 3.2 Gen 1


速率5Gbps;電流5V@900mA


USB 3.1


2013


SuperSpeed


2013


USB 3.1 Gen2


2017


USB 3.2 Gen 2


速率10Gbps;電流20V@5A


USB 3.2


2017



2017


USB 3.2 Gen 2x2




速率20Gbps;電流20V@5A


USB4


2019


USB4 Gen 2x2






速率20Gbps;電流20V@5A


USB4 Gen 3x2






速率40Gbps;電流20V@5A




下面就簡單介紹介紹USB4的一些改進:




命名


之前的命名都是按照USB x.x的形式,而這一次是USB4,對于這一點,USB Promoter Group董事長Brad Saunders是這樣解釋的:刪除空格的目的是將重點從版本號轉(zhuǎn)移到品牌名稱上。他說:“我們要傳達的信號之一是,我們不打算進入4.0、4.1、4.2的迭代路徑……而且我們不希望將它與具體的產(chǎn)品關聯(lián)……我們希望使它盡可能簡單。”按照一般先有標準,后有芯片的時間規(guī)律,12-18個月的延遲的話,對應的芯片大約會在2020年底才會出現(xiàn),至于支持USB4的筆記本電腦和臺式機,那就需要更久的時間了。



物理特性


USB4只采用Type-C連接器,USB4信號采雙通道傳輸,而過去的連接器如USB Type-A/B或者Micro/Mini等,僅支援單通道傳輸,無法支援USB4。


USB4 Cable被動線纜,可支援的被動線纜長度由USB 3.2 Gen2的1米,降為0.8 米。若需較長的線纜,可使用主動式線纜。USB4主動式線纜為含有Repeater 元件(如Re-timer,Re-driver 等主動元件)的線纜,以及光纖線纜等。可支援的主動式線纜長度最長為5米。USB4向下兼容USB 2.0和USB 3.2以及Thunderbolt 3。
對雷電3的支持


USB4最大的變化是引入了Intel此前捐獻給USB推廣組織的Thunderbolt雷電協(xié)議規(guī)范,一來雷電3不再收取高昂的專利授權(quán)費,二來也讓USB4的傳輸帶寬達到與雷電3標準一樣的40Gbps的速率。但事實果真如此嗎?來看看USB4 Specification中2.1.5章節(jié)是這么描述的:





對于采用USB4標準的Host或者外設來說,雷電3標準是一個可選支持項,對于USB4 hub或者USB4-Based Dock產(chǎn)品來說,需要提供對雷電3標準的支持,而USB4 Host或者外設來說,可以不提供對雷電3標準的支持。也就是說USB4不等同于雷電3?。?!Intel雖然將雷電3專利貢獻給了USB IF,讓大家免費用上雷電3接口而不再需要付專利授權(quán)費,但Intel依然持有雷電3的認證標志,如果你的設備需要打上雷電3支持的認證標識,享受到雷電3生態(tài)的話,那就需要經(jīng)過一系列嚴格的雷電3標準認證測試才行,如果只采用USB 4標準而無需打上雷電3接口認證標志,可以節(jié)省一筆不菲的認證費用。作為USB IF組織的board member就是爽,可以為USB IF組織免(強)費(行)貢(植)獻(入)標準。由此帶來的結(jié)果就是USB接口更加混亂了,同樣是TYPE-C接口,USB 3.2 Gen1/Gen2/雷電3/USB4/帶雷電3認證的USB4傻傻分不清楚……





USB4架構(gòu)


對于USB4,USB 3.2 Enhanced SuperSpeed仍然是USB4物理線路上“USB數(shù)據(jù)”傳輸?shù)幕A架構(gòu)。USB4和USB 3.2最大的區(qū)別在于USB4是面向連接的,USB4設計了隧道(tunneling)以便將多種協(xié)議的數(shù)據(jù)在單一物理接口上聯(lián)合傳輸,這樣一來USB4的速度和能力能被動態(tài)的共享。USB4能在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r,支持其他顯示協(xié)議,或者主機到主機的通信。此外,USB4還在相同的雙路雙單工(dual-lane, dual-simplex)架構(gòu)上,將通信速度從USB 3.2的20Gbps提高到了40Gbps。


USB4除了實現(xiàn)高速USB(基于USB3)之外,還基于DisplayPort 定義了顯示隧道,基于PCIe定義了load/store隧道。


USB4主要構(gòu)成元件有路由器(Router),適配器(Adapter),以及TMU(Time Management Unit,時間管理單元)。


  • 路由器是USB4的一個主要建構(gòu)模塊,路由器將隧道協(xié)議轉(zhuǎn)換成USB4封包傳送,并透過TMU來作時間同步。主要由USB Host內(nèi)建的Connection Manager來偵測及管理。
  • 適配器是內(nèi)建在路由器里,主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介,進行協(xié)定轉(zhuǎn)換。例如USB4 Host在傳輸USB3數(shù)據(jù)時,由內(nèi)部USB3 Host透過USB3 Adapter進行協(xié)定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個路由器內(nèi)部最多可以支援64個適配器。
  • TMU是內(nèi)建在路由器里,使用分布式時間管理單元(TMU),在路由器間做時間同步。



USB4功能分層如下:


  • Protocol Adapter Layer:負責USB4與不同協(xié)議間進行對應,并把不同協(xié)議封裝成Tunneled Packet,在USB4設備內(nèi)傳遞。
  • Configuration Layer:負責處理由Connection manager傳送來的控制包(Control Packets),并附加路徑中對應的地址,確保其可靠的傳送機制。
  • Transport Layer:定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制,并產(chǎn)生link management Packets以提供時間同步封包、流量控制封包等。
  • Logical Layer:負責建立2個設備之間的USB4連接,提供數(shù)據(jù)傳送與接收、編碼與解碼,電源管理,錯誤偵測及復原機制,并且通過Sideband Channel 進行通道初始化的溝通,包括速度及雙通道溝通。
  • Electrical Layer:定義USB4電氣信號的特性,如電壓、抖動、編碼等。



USB4產(chǎn)品類型主要包括下面四種:


  • USB4 Host:產(chǎn)品有一個以上DFP,沒有任何的UFP。其包括一個Host Router、一個internal host controller、一個A DisplayPort Source,一個可選的PCIe controller。
  • USB4 Hub:產(chǎn)品有一個UFP,并且有一個或多個DFP。包括一個Device Router、一個Enhanced SuperSpeed USB hub、一個PCIe switch、一個USB 2.0 hub。
  • USB4-Based Dock:產(chǎn)品有一個UFP,并且有一個或多個DFP,且產(chǎn)品內(nèi)還有其他元件的功能,如儲存裝置或網(wǎng)路功能。
  • USB4 Device: 產(chǎn)品有一個UFP,沒有任何的DFP。包括一個Device Router,以及一個或多個可選的Enhanced SuperSpeed hub or endpoint、PCIe switch or endpoint、DisplayPort Source or Sink。


USB隧道


USB4的一大特點就是設計了隧道(tunneling)以將多種協(xié)議的數(shù)據(jù)在單一物理接口上進行聯(lián)合傳輸,這樣一來USB4的速度和能力能被動態(tài)的共享。


USB4對Host/Hub/Dock/Device必須支援的隧道協(xié)議有不同要求,“√”為必須支援,其余則是可選。例如USB4 Host必須支援USB3、DisplayPort與Host-to-Host Tunneling,可以不支援PCIExpress與TBT3 Tunneling。



以USB3 Tunneling為例,USB4 Host透過USB3 Protocol Adapter,將USB3 Protocol經(jīng)過USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉(zhuǎn)USB4 Link傳送到USB4 Hub Electrical Layer。再依下圖順序進行一連串USB3/USB4 轉(zhuǎn)換,將訊號傳送到USB4 Device。DP和PCIe Tunneling也是同理。










以上就是針對USB4的一個簡單介紹,感興趣的同學可以參考標準詳細閱讀。



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