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40Gbps。USB接口演进及相对应的logo，请参考表一。

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™ 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）。

总结

USB4™传输速率提升到40Gbps，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 DisplayPort 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。