USB4 全名为 Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个介面在 1996 年发布 USB 1.0 规格, 传输速度支援低速 1.5 Mbps 与全速 12 Mbps,以及之后陆续发表支援速度 480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等,并在 2019 年 9 月发布最新一代 USB4 规格,支援 20 Gbps 与 40 Gbps。USB 介面演进及相对应的 logo,请参考图表一。

 


图表一

 

USB4 新功能三大重点

1. USB4 只采用 USB Type-C 连接器,USB4 讯号采双通道传输; 而过去的连接器如 USB Type-A 或 Micro-B,仅支援单通道传输,无法支援 USB4。

 

2. USB 传输速度最快支援 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. 向下相容 USB 2.0 与 USB 3.2 及支援 Thunderbolt 3。

 

USB4 连接器与线缆重点

1.USB4 只采用 USB Type-C 连接器。

 

2. USB4 Cable 被动线缆,可支援的被动线缆长度由 USB 3.2 Gen2 的 1 公尺,降为 USB4 Gen3 的 0.8 公尺。

 

3. 若需较长的线缆,如连接大尺寸萤幕,或是 VR 应用,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。至于可支援的主动式线缆长度最长为 5 公尺。

 

USB4 架构重点

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)。

 

1. 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。

 

2. 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 资料(如图二),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。

 

3.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。

 


图二

 

USB4 以功能区分五种层级

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 传送来的控制封包(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 连结,提供资料传送与接收、编码与解码,电源管理,错误侦测及复原机制,并且透过 Sideband Channel 进行通道初始化的沟通,包括速度及双通道沟通。

 

5. Electrical Layer:定义 USB4 电气讯号的特性,如电压、抖动、编码等。

 


图三

 

如图四,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。再依图四顺序进行一连串 USB3/USB4 转换,将讯号传送到 USB4 Device。

 


图四

 

USB3 隧道协议

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,藉由图五可以清楚知道,红色部分是 USB3 的封包,而蓝色部分是 Tunneled 封包,UFP(Upstream Facing Port)与 DFP(Downstream Facing Port)之间会使用 Physical Layer 传输。

 


图五

 

USB4 产品类型

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,且产品内还有其他元件的功能,如储存装置或网路功能。

4.USB4 Device: 产品有一个 UFP,没有任何的 DFP。

 

USB4 支援的隧道协议

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

 

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

 


图六

 

USB4 支援的传输速率

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

对 USB4 Hub 与 USB4-Based Dock 来说,必须同时支援 20Gbps 及 40Gbps。

对 USB4 Host 与 USB4 Device 来说,可以只支援 20Gbps。(40Gbps 可列为额外支援,非必要支援速度)。

 


图七

 

结论

USB4 传输速率提升到 40 Gbps,并且可以动态分享频宽,当使用一条 USB Type-C 连接线就可以相容于市面上 Thunderbolt 3 和 Display Port 产品,对于消费者来说是一个更加便利的介面。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品质。