【技術文章】USB4® 技術剖析

Granite River Labs, GRL
Caspar Lin 林志徽

 

        USB4 全名為 Universal Serial Bus Generation 4。USB 這個介面在 1996 年發佈 USB 1.0 規格, 傳輸速度支援低速 1.5 Mbps 與全速 12 Mbps,以及之後陸續發表支援速度 480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等,並在 2019 年 9 月發布最新一代 USB4 規格,支援 20 Gbps 與 40 Gbps。

USB 介面演進及相對應的 Logo,請參考下表:

USB4, USB 3.2, USB 2.0, Gen 1, Gen 2, USB-IF, Type-C

表 1

 

  • USB4 新功能 3 個重點

1. USB4 只採用 USB Type-C 連接器。USB4 訊號採雙通道傳輸。而過去的連接器如 USB Type-A 或 Micro-B,僅支援單通道傳輸,無法支援 USB4。

2. USB 傳輸速度最快支援 40G (20Gbps x2),並可同時傳送 DisplayPort 影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口,可以動態共享 USB4 架構的整體速度和性能。

3. 向下相容 USB 2.0 與 USB 3.2 及支援 Thunderbolt 3。

 

  • USB4 連接器與線纜 3 個重點

1. USB4 只採用 USB Type-C 連接器。

2. USB4 Cable 被動線纜,可支援的被動線纜長度由 USB 3.2 Gen2 的 1 公尺,降為 USB4 Gen3 的 0.8 公尺。

3. 若需較長的線纜,如連接大尺寸螢幕,或是 VR 應用,可使用主動式線纜。USB4 主動式線纜為含有 Repeater 元件(如 Re-timer,Re-driver 等主動元件)的線纜,及光纖線纜等。可支援的主動式線纜長度最長為 5 公尺, 而光纖線纜最長可以支援 50 公尺。

 

  • USB4 架構的 3 個重點

USB4 主要構成元件有 Router (路由器) ,Adapter (適配器),以及 TMU (Time Management Unit,時間管理單元)

1. Router 是 USB4 的一個主要建構模塊,Router 將隧道協議轉換成 USB4 封包傳送,並透過 TMU 來作時間同步。主要由 USB Host 內建的 Connection Manager 來偵測及管理。

2. Adapter 是內建在 Router 裡,主要功能為 Router 與外部元件溝通的媒介,進行協定轉換。例如 USB4 Host 在傳輸 USB3 資料(如下圖),由內部 USB3 Host 透過 USB3 Adapter 進行協定封裝成 USB4 Tunneled Packet。一個 Router 內部最多可以支援 64 個 Adapter。

3. TMU 是內建在 Router 裡,使用分佈式時間管理單元(TMU),在 Router 間做時間同步。

USB4, USB 3.2, USB 2.0, Gen 1, Gen 2, USB-IF, Type-C

圖 1

  • USB4 依功能層級分為 5 種

1. Protocol Adapter Layer: 負責 USB4 與不同協議間進行對應.並把不同協議封裝成 Tunneled Packet 在 USB4 介面內傳遞。

2. Configuration Layer: 負責處理由 Connection manager 傳送來的 Control Packets ,並附加路徑中對應的地址 (address),確保其可靠的傳送機制。

3. Transport Layer: 定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制,並產生 link management Packets 以提供時間同步封包 、流量控制封包等。

4. Logical Layer: 負責建立 2 個裝置之間的 USB4 連結,提供資料傳送與接收、編碼與解碼,電源管理,錯誤偵測及復原機制,並且透過 Sideband Channel 進行通道初始化的溝通,包括速度及雙通道溝通。

5. Electrical Layer: 定義 USB4 電氣訊號的特性 如電壓、抖動,編碼等。

USB4, USB 3.2, USB 2.0, Gen 1, Gen 2, USB-IF, Type-C, Link Layer, Electrical test, USB compliance test

圖 2

如下圖,以 USB3 Tunneling 為例,USB4 Host 透過 USB3 Protocol Adaptor,將 USB3 Protocol 經 USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉 USB4 Link 傳送到 USB4 Hub Electrical Layer。再依下圖順序進行一連串 USB3/USB4 轉換,將訊號傳送到 USB4 Device。

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圖 3

 

  • USB3 隧道協定

USB4 訊號由 PCIe、USB3 及 DisplayPort 隧道協議組成。此篇幅單就 USB3 隧道協議講解。USB3 隧道協議,指的是將原始 USB3 封包經由 Protocol Adapter Layer 封裝成 Tunneled 封包, 藉由以下的圖片可以清楚知道,紅色部分是 USB3 的封包而藍色部分是 Tunneled 封包, UFP 與 DFP 之間會使用 Physical Layer 傳輸。

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

USB4, USB 3.2, USB 2.0, Gen 1, Gen 2, USB-IF, Type-C, Link Layer, Electrical test, USB compliance test, tunneling

圖 4

 

  • USB4 的產品有 4 種類型

1. USB4 Host: 產品有一個以上 DFP。沒有任何的 UFP。

2. USB4 Hub: 產品有一個 UFP,並且有一個或多個 DFP。

3. USB4-Based Dock: 產品有一個 UFP,並且有一個或多個 DFP,且產品內還有其他 device 的功能,如儲存裝置或網路功能。

4. USB4 Device: 產品有一個 UFP,沒有任何的 DFP。

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

 

  • USB4 支援的隧道協定

依據規格,對 Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協定有不同要求,如下圖,打 ”V” 為必須支援,其餘則是可選擇支援與否。

例如 USB Host 必須支援 USB3、DisplayPort 與 Host-to-Host Tunneling,可以不支援 PCI Express 與 TBT3 Tunneling。

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圖 5

 

  • USB4 支援的傳輸速率

USB4 支援 USB4 Gen2 的 20Gbps 及 USB4 Gen3 的 40Gbps 速度,是不是宣告支援 USB4 就一定要支援這兩個速度?

• 對 USB4 Hub 與 USB4-Based Dock 來說,必須同時支援 20Gbps 及 40Gbps。

• 對 USB4 Host 與 USB4 Device 來說,可以只支援 20Gbps。(40Gbps 可列為額外支援,非必要支援速度)。

USB4, USB 3.2, USB 2.0, Gen 1, Gen 2, USB-IF, Type-C, Link Layer, Electrical test, USB compliance test, tunneling

表 2

 

結論

        USB4 傳輸速率提升到 40 Gbps,並且可以動態分享頻寬,當使用一條 USB Type-C 連接線就可以相容於市面上 Thunderbolt 3 和 Display Port 產品,對於消費者來說是一個更加便利的介面。但對於產品開發者來說,USB4 是一個比較大的挑戰,除了產品設計和以往 USB3 的產品在架構上的差異,加上高頻信號在 PCB 及連接器上的衰減,須更關注高頻阻抗匹配,在開發階段確保傳輸的信號品質。GRL 在 Thunderbolt 3,USB3,DisplayPort,PCIe 等高速介面累積相當多的經驗,可以協助客戶快速測試及驗證服務。

 

參考文獻

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

 

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作者
GRL台灣技術經理 林志徽 Caspar Lin

為USB-IF 協會核可測試工程師,曾任職於 Allion,擔任測試主任 7 年。熟悉 USB 以及 Power Delivery 測試規範,並為 USB、 Power Delivery、SATA、PCI Express、Thunderbolt、VirtualLink 等高速介面,以及相容性領域的專家。

 

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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