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[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 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。










以上就是针对USB4的一个简单介绍,感兴趣的同学可以参考标准详细阅读。



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