usb4 USB4 技术超详细解读

USB4的全称是通用串行总线第四代。USB接口在1996年发布了USB 1.0规范，传输速度支持低速1.5 Mbps，全速12 Mbps。之后先后发布了480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps的支持速度，并于2019年9月发布了最新一代的USB4规范，支持20 Gbps、40 Gbps。USB接口及对应logo的演变请参见图1。

图表1

USB4新功能的三个关键点

1.USB4只使用USB Type-C连接器，USB4信号通过两个通道传输；以前USB Type-A或Micro-B等连接器只支持单通道传输，不能支持USB4。

2.USB传输速度最快可以支持40G，显示端口视频和音频可以同时传输。它旨在将多种协议结合到单个物理接口中，可以动态共享USB4架构的整体速度和性能。

3.向后兼容USB 2.0和USB 3.2，支持Thunderbolt 3。

USB4连接器和电缆重点

1.USB4只使用USB C型连接器。

2.USB4电缆无源电缆，支持的无源电缆长度从USB 3.2 Gen2中的1米减少到USB4 Gen3中的0.8米。

3.如果您需要长电缆，例如连接大屏幕或VR应用程序，您可以使用活动电缆。USB4有源电缆是包含中继器组件、光纤电缆等的电缆。至于支持的主动电缆，最大长度为5米。

USB4架构的重点

USB4的主要组件是路由器、适配器和TMU。

1.路由器是USB4的主要构件。路由器将隧道协议转换为USB4数据包，并通过TMU传输它们以实现时间同步。主要由内置USB主机的连接管理器检测和管理。

2.适配器内置在路由器中，主要功能是路由器和外部组件之间的通信媒介，进行协议转换。例如，USB4主机正在传输USB3数据，内部USB3主机通过USB3适配器将协议包制作成USB4隧道数据包。一台路由器最多可以支持64个适配器。

3.TMU内置于路由器中，使用分布式时间管理单元来同步路由器之间的时间。

图二

USB4通过功能区分五个级别

1.协议适配层:负责USB4与不同协议之间的映射，将不同协议封装到Tunneled Packet中，在USB4接口进行传输。

2.配置层:负责处理连接管理器发送的控制包，并在路径中附加相应的地址，保证其可靠的传输机制。

传输层:定义数据包格式、路径、流量控制和定时控制，并生成链路管理数据包，以提供时间同步数据包和流量控制数据包。

4.逻辑层:负责在两个设备之间建立USB4连接，提供数据发送和接收、编码和解码、电源管理、错误检测和恢复机制，通过边带信道进行信道初始化通信，包括速度和双通道通信。

5.电气层:定义USB4电信号的特性，如电压、抖动、编码等。

图三

如图4所示，以USB3隧道为例，USB4主机通过USB4传输层、USB4逻辑层和USB4电气层向USB4集线器电气层传输USB3协议。然后，根据图4所示的顺序执行一系列的USB3/USB4转换，并且信号被传输到USB4设备。

图四

USB3隧道协议

USB4信号由PCIe、USB3和显示端口隧道协议组成。本文将解释USB3隧道协议。USB3隧道协议是指通过协议适配器层将原始USB3数据包打包成隧道数据包。从图5中可以清楚地看到，红色部分是USB3分组，而蓝色部分是隧道分组。物理层用于UFP和东风汽车公司之间的传输。

图五

USB4产品类型

1.USB4主机:产品有多个DFP，没有任何UFP。

2.USB4集线器:该产品有一个UFP和一个或多个DFP。

3.基于USB4的坞站:该产品有一个UFP和一个或多个DFP，并且该产品还具有其他组件的功能，例如存储设备或网络功能。

4.USB4设备:该产品有一个没有任何DFP的UFP。

USB4支持的隧道协议

根据规范，主机/集线器/坞站/设备必须支持的隧道协议有不同的要求。如下图所示，“V”表示必须支撑，其余可以支撑也可以不支撑。

USB主机必须支持USB3、显示端口和主机到主机隧道，但可能不支持PCI Express和TBT3隧道。

图六

USB4支持的传输速率

USB4支持USB4 Gen2的20Gbps和USB4 Gen3的40Gbps。当你声明支持USB4时，你必须支持这两种速度吗？

USB4集线器和基于USB4的坞站必须支持20Gbps和40Gbps。

对于USB4主机和USB4设备，只能支持20Gbps。。

图七

结论

USB4传输速率提高到40 Gbps，带宽可以动态共享。使用USB Type-C线缆时，可以兼容市面上的Thunderbolt 3和Display Port产品，是消费者更方便的接口。但是，对于产品开发人员来说，USB4是一个很大的挑战。除了产品设计与以往USB3产品的结构差异，以及高频信号在PCB和连接器上的衰减，在开发阶段更要注意高频阻抗匹配，以保证传输信号的质量。