By PURPLELEC | 29 April 2025 | 0 评论
USB4.0技术剖析
USB全称为Universal Serial Bus Generation。 USB这个介面在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480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps等，并于2019年9月发布最新USB4规格，支持20 Gbps与40 Gbps。
USB4.0新增3个重点
1. USB4 只采用 USB Type-C 连接器。 USB4 讯号采用双通道传输。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. 兼容USB 2.0与USB 3.2及支持Thunderbolt 3。
USB4.0连接器与线缆3个重点
1. USB4仅采用USB Type-C连接器。
2. USB4 Cable 适配器，可支持的适配器电缆长度由 USB 3.2 Gen2 的 1 公尺，降为 USB4 Gen3 的 0.8 公尺。
3.若需外接大尺寸萤幕，或VR应用，可使用活动式线缆。 USB4活动式线缆为含有Repeater元件（如Re-timer，Re-driver等活动元件）的线缆，及导管等。可支持的活动式线缆长度为5公尺，而光纤线缆长度可支持50公尺。
USB4™ 架构的 3 个重点
USB4主要构成元件有Router (路由器) ，Adapter (适配器)，以及TMU (Time Management Unit，时间管理单元)。
1. Router 是 USB4 的一个主要模块，Router 将隧道协议转换成 USB4 封包传送，并通过 TMU 来作时间同步。主要由 USB Host 内建的 Connection Manager 来检测及管理。
2. Adapter 是内置于 Router 里，主要功能为 Router 与外部元件沟通的内部，进行协议转换。例如 USB4 Host 在传输 USB3 资料，由内部 USB3 Host 通过 USB3 Adapter 进行封装封装成 USB4 Tunneled Packet。一个 Router 内部最多可以支持 64 个 Adapter。
3. TMU是内置在Router里，使用多个时间管理单元（TMU），在Router间做时间同步。
USB4.0依功能体系分为5种
1.协议适配器层：负责USB4与不同协议间进行对应。并将不同协议封装成Tunneled Packet在USB4介面内传递。
2.配置层：负责处理由连接管理器传送过来的控制包，并附加路径中对应的地址（address），保证其可靠的传送机制。
3. 传输层：定义封包格式、路径、流量控制与相互控制，并产生链路管理包以提供时间同步封包、流量控制封包等。
4.逻辑层：负责建立2个装置之间的USB4连接，提供数据传输与接收、编码与解码、电源管理、错误检测及重复机制，以及利用边带通道进行通道初始化的通信，包括速度及双通道通信。
5. 电气层：定义了USB4电气讯号的特性如电压、读数、编码等。
USB4.0的产品有4种类型
1. USB4 Host：产品有一个以上DFP。没有任何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，且产品内还有其他设备的功能，如存储装置或网路功能。
4. USB4设备：产品有一个UFP，没有任何DFP。
USB4.0 支持的隧道协议
根据规格，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，其余可选支持与否。
例如 USB Host 必须支持 USB3、DisplayPort 和 Host-to-Host Tunneling，可以不支持 PCI Express 和 TBT3 Tunneling。
USB4.0支持的传输速率
USB4支持USB4 Gen2的20Gbps及USB4 Gen3的40Gbps速度，是不是宣布支持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，只能支持速度 20Gbps。 （40Gbps 可以额外支持，非必要支持）。
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Thunderbolt 3和Display Port产品，对于消费者来说是一个更方便的介面。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化，加上PCB上的高频信号及连接器上的衰减，更需关注高频阻抗匹配，在开发阶段确保传输的信号质量。 GRL在Thunderbolt 3，USB3，DisplayPort，PCIe等高速介面上积累了相当多的经验，可以协助客户快速测试及验证服务。
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