USB系列之“USB4”

[导读]USB4Specification已经在2019年8月29日发布，下载链接：https://www.usb.org/document-library/usb4tm-specification。本文主要介绍一下USB4和前几代的区别，想了解细节的可以自行下载阅读。USB接口从199...

USB4 Specification 已经在2019年8月29日发布，下载链接：https://www.usb.org/document-library/usb4tm-specification。本文主要介绍一下USB4和前几代的区别，想了解细节的可以自行下载阅读。USB接口从1996年发布至今，从1.0走到了4.0，速率从最初的1.5Mbps到最新的40Gbps，但是其命名和改名之路则是一个让人头疼的过程，下面通过一个简单的表格进行梳理：

版本	时间	初版命名	第一次改名时间	第一次改名	第二次改名时间	第二次改名	特性
USB 1.0	1996		2003	USB 2.0低速			速率1.5Mbps；电流5V@500mA
USB 1.1	1998		2003	USB 2.0全速			速率12Mbps；电流5V@500mA
USB 2.0	2000		2003	USB 2.0高速			速率480Mbps；电流5V@500mA
USB OTG	2001						速率480Mbps；电流5V@500mA
USB 3.0	2008	SuperSpeed	2013	USB 3.1 Gen1	2017	USB 3.2 Gen 1	速率5Gbps；电流5V@900mA
USB 3.1	2013	SuperSpeed	2013	USB 3.1 Gen2	2017	USB 3.2 Gen 2	速率10Gbps；电流20V@5A
USB 3.2	2017		2017	USB 3.2 Gen 2x2			速率20Gbps；电流20V@5A
USB4	2019	USB4 Gen 2x2					速率20Gbps；电流20V@5A
USB4	2019	USB4 Gen 3x2					速率40Gbps；电流20V@5A

下面就简单介绍介绍USB4的一些改进：

命名

之前的命名都是按照USB x.x的形式，而这一次是USB4，对于这一点，USB Promoter Group董事长Brad Saunders是这样解释的：删除空格的目的是将重点从版本号转移到品牌名称上。他说：“我们要传达的信号之一是，我们不打算进入4.0、4.1、4.2的迭代路径……而且我们不希望将它与具体的产品关联……我们希望使它尽可能简单。”按照一般先有标准，后有芯片的时间规律，12-18个月的延迟的话，对应的芯片大约会在2020年底才会出现，至于支持USB4的笔记本电脑和台式机，那就需要更久的时间了。

物理特性

USB4只采用Type-C连接器，USB4信号采双通道传输，而过去的连接器如USB Type-A/B或者Micro/Mini等，仅支援单通道传输，无法支援USB4。

USB4 Cable被动线缆，可支援的被动线缆长度由USB 3.2 Gen2的1米，降为0.8 米。若需较长的线缆，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。可支援的主动式线缆长度最长为5米。USB4向下兼容USB 2.0和USB 3.2以及Thunderbolt 3。
对雷电3的支持

USB4最大的变化是引入了Intel此前捐献给USB推广组织的Thunderbolt雷电协议规范，一来雷电3不再收取高昂的专利授权费，二来也让USB4的传输带宽达到与雷电3标准一样的40Gbps的速率。但事实果真如此吗？来看看USB4 Specification中2.1.5章节是这么描述的：

对于采用USB4标准的Host或者外设来说，雷电3标准是一个可选支持项，对于USB4 hub或者USB4-Based Dock产品来说，需要提供对雷电3标准的支持，而USB4 Host或者外设来说，可以不提供对雷电3标准的支持。也就是说USB4不等同于雷电3！！！Intel虽然将雷电3专利贡献给了USB IF，让大家免费用上雷电3接口而不再需要付专利授权费，但Intel依然持有雷电3的认证标志，如果你的设备需要打上雷电3支持的认证标识，享受到雷电3生态的话，那就需要经过一系列严格的雷电3标准认证测试才行，如果只采用USB 4标准而无需打上雷电3接口认证标志，可以节省一笔不菲的认证费用。作为USB IF组织的board member就是爽，可以为USB IF组织免（强）费（行）贡（植）献（入）标准。由此带来的结果就是USB接口更加混乱了，同样是TYPE-C接口，USB 3.2 Gen1/Gen2/雷电3/USB4/带雷电3认证的USB4傻傻分不清楚……

USB4架构

对于USB4，USB 3.2 Enhanced SuperSpeed仍然是USB4物理线路上“USB数据”传输的基础架构。USB4和USB 3.2最大的区别在于USB4是面向连接的，USB4设计了隧道（tunneling）以便将多种协议的数据在单一物理接口上联合传输，这样一来USB4的速度和能力能被动态的共享。USB4能在数据传输的同时，支持其他显示协议，或者主机到主机的通信。此外，USB4还在相同的双路双单工（dual-lane, dual-simplex）架构上，将通信速度从USB 3.2的20Gbps提高到了40Gbps。

USB4除了实现高速USB(基于USB3)之外，还基于DisplayPort 定义了显示隧道，基于PCIe定义了load/store隧道。

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）。

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。
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数据时，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。
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。

USB4功能分层如下：

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设备内传递。
Configuration Layer：负责处理由Connection manager传送来的控制包(Control Packets)，并附加路径中对应的地址，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个设备之间的USB4连接，提供数据传送与接收、编码与解码，电源管理，错误侦测及复原机制，并且通过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USB4电气信号的特性，如电压、抖动、编码等。

USB4产品类型主要包括下面四种：

USB4 Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。其包括一个Host Router、一个internal host controller、一个A DisplayPort Source，一个可选的PCIe controller。
USB4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。包括一个Device Router、一个Enhanced SuperSpeed USB hub、一个PCIe switch、一个USB 2.0 hub。
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。
USB4 Device: 产品有一个UFP，没有任何的DFP。包括一个Device Router，以及一个或多个可选的Enhanced SuperSpeed hub or endpoint、PCIe switch or endpoint、DisplayPort Source or Sink。

USB隧道

USB4的一大特点就是设计了隧道（tunneling）以将多种协议的数据在单一物理接口上进行联合传输，这样一来USB4的速度和能力能被动态的共享。

USB4对Host/Hub/Dock/Device必须支援的隧道协议有不同要求，“√”为必须支援，其余则是可选。例如USB4 Host必须支援USB3、DisplayPort与Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCIExpress与TBT3 Tunneling。

以USB3 Tunneling为例，USB4 Host透过USB3 Protocol Adapter，将USB3 Protocol经过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。DP和PCIe Tunneling也是同理。