USB4™ 全方位技术剖析

原创声明

作者:GRL实验室 林志徽 Caspar Lin

USB4™ 介绍

USB4™ 全名为 Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个接口在 1996 年发布 USB 1.0 规格, 传输速度支持低速1.5 Mbps与全速 12 Mbps,以及之后陆续发表支持速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等,并在2019年9月发布最新一代 USB4™规格,支持20Gbps 与40 Gbps。USB接口演进及相对应的logo,请参考表一。

(表一)

 

USB4™新功能3个重点

  1. USB4™ 只采用 USB Type-C™ 连接器。USB4™讯号采双信道传输。而过去的连接器如USB Type-A或Micro-B,仅支持单通道传输,无法支持USB4™。
  2. USB传输速度最快支持40G (20Gbps x2),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USB4™ 架构的整体速度和性能。
  3. 向下兼容USB 2.0与USB 3.2及支持Thunderbolt 3。

 

USB4™ 连接器与线缆3个重点

  1. USB4™只采用USB Type-C连接器。
  2. USB4™ Cable被动线缆,可支持的被动线缆长度由USB 3.2 Gen2的1公尺,降为USB4™ Gen3 的8公尺。
  3. 若需较长的线缆,如连接大尺寸屏幕,或是VR 应用,可使用主动式线缆。USB4™主动式线缆为含有Repeater 组件(如 Re-timer,Re-driver 等主动组件)的线缆,及光纤线缆等。可支持的主动式线缆长度最长为5公尺, 而光纤线缆最长可以支持50公尺。

 

USB4™架构上3个重点

USB4™主要构成组件有Router (路由器),Adapter (适配器),以及TMU (Time Management Unit,时间管理单元)。

  1. Router是USB4的一个主要建构模块,Router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。
  2. Adapter 是内建在Router里,主要功能为Router与外部组件沟通的媒介,进行协议转换。例如USB4™ Host在传输USB3数据(如下图),由内部 USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协议封装成 USB4™ Tunneled Packet。一个Router内部最多可以支持64个Adapter。
  3. TMU是内建在Router 里,使用分布式时间管理单元(TMU),在 Router间做时间同步。

 

USB4™依功能层级分为5种

  1. 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™介面内传递。
  2. Configuration Layer: 负责处理由Connection manager传送来的Control Packets,并附加路径中对应的地址 (address),确保其可靠的传送机制。
  3. 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。
  4. Logical Layer: 负责建立2个装置之间的 USB4 ™链接,提供数据传送与接收、编码与译码,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,包括速度及双信道沟通。
  5. Electrical Layer: 定义USB4™电气讯号的特性,如电压、抖动,编码等。

如下图,以 USB3 Tunneling为例,USB4 Host 透过 USB3 Protocol Adaptor,将USB3 Protocol 经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。

USB3 隧道协定

USB4讯号由PCIe、USB3 及DisplayPort隧道协议组成。此篇幅单就USB3隧道协议讲解。USB3隧道协议,指的是将原始 USB3 封包经由Protocol Adapter Layer封装成Tunneled封包, 藉由以下的图片可以清楚知道, 红色部分 是 USB3 的封包而蓝色部分是Tunneled封包, UFP与DFP之间会使用Physical Layer传输。

Note: UFP: Upstream Facing Port,DFP: Downstream Facing Port

USB4的产品有4种类型

  1. USB4 Host: 产品有一个以上 DFP。没有任何的 UFP。
  2. USB4 Hub: 产品有一个 UFP,并且有一个或多个 DFP。
  3. 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 device 的功能,如储存装置或网络功能。
  4. USB4 Device: 产品有一个 UFP,没有任何的 DFP。

Note: UFP: Upstream Facing Port,DFP: Downstream Facing Port

USB4 支持的隧道协议

依据规格,对 Host/ Hub/Dock/Device必须支持的隧道协议有不同要求,如下图,打 “V” 为必须支持,其余则是可选择支持与否。

例如USB Host必须支持 USB3、DisplayPort与Host-to-Host Tunneling,可以不支持 PCI Express与TBT3 Tunneling。

USB4 支援的传输速率

USB4支援USB4 Gen2的20Gbps及USB4 Gen3的40Gbps速度,是不是宣告支持USB4 就一定要支持这两个速度?

  • 对USB4 Hub与USB4-Based Dock来说,必须同时支持20Gbps及40Gbps。
  • 对USB4 Host与USB4 Device 来说,可以只支持 20Gbps。(40Gbps 可列为额外支持,非必要支持速度)。

结论

USB4传输速率提升到40 Gbps,并且可以动态分享带宽,当使用一条 USB Type-C 连接线就可以兼容于市面上 Thunderbolt 3 和 Display Port 产品,对于消费者来说是一个更加便利的界面。但对于产品开发者来说,USB4是一个比较大的挑战,除了产品设计和以往 USB3 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质量。GRL 在Thunderbolt 3,USB3,DisplayPort,PCIe 等高速接口累积相当多的经验,可以协助客户快速测试及验证服务。

 

免责声明

本信息仅为便于参照而提供。本信息不是且不应视为 USB Implementers Forum (USB-IF) 之正式通讯。USB-IF 之正式通讯可于其网站 usb.org 取 得,或直接自 USB-IF 取得。

 

参考文献:

Universal Serial Bus 4 (USB4™) Specification Version 1.0 August 2019

 

作者:

GRL 台湾技术经理 林志徽 Caspar Lin

  • 曾任职于 Allion,担任测试主任 7 年。
  • USB-IF 协会核可测试工程师,熟悉 USB 以及 Power Delivery 测试规范。
  • USB、 Power Delivery、SATA、PCI Express、Thunderbolt、VirtualLink 等高速界面,及兼容性领域的专家。

 

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。 發佈日期 2020/02/12 AN-200201-TW