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本帖最后由 阿杨 于 2020-3-18 11:04 编辑 : N- i; v+ r4 p. x6 J- p
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超详细解读，什么是USB 4 标准？ ( G! V5 n8 {; z+ U, H' p
USB 4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。 图一 USB 4 新功能
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USB 4 连接器与线缆
/ T5 h. z2 T6 k9 b8 b7 J7 _0 k4 c6 DUSB 4只采用USB Type-C连接器。
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USB 4 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USB 4 Gen3的0.8公尺。
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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。 * K v g2 M4 K( u# [
USB 4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。
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USB 4 架构
1 E' P. U7 G, b' J3 N zUSB 4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)。
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路由器是USB 4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。 % N9 P8 h: { n" e
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USB 4 Host在传输USB 3资料(如图2)，由内部USB 3 Host透过USB 3 Adapter进行协定封装成USB 4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。
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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 USB 4 的五个层级 : A$ D& ?" Y( B5 j9 v+ q- f$ r
USB 4把功能区分为五个层级(如图3)。 ( _4 E: j. ~1 R( I5 g3 q
Protocol Adapter Layer：负责USB 4与不同协议间进行对应，并把不同协议封装成Tunneled Packet，在USB 4介面内传递。
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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。 % h5 L5 K5 }: S9 C
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。
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Logical Layer：负责建立2个装置之间的USB 4连接，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。 ( x. Z$ ]' L+ `* O' Q, e' A
Electrical Layer：定义USB 4电气讯号的特性，如电压、抖动、编码等。
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$ U1 I- a* x: ~' R- k N6 B图三 2 J8 Z, t! `3 v: g8 M
如图4，以USB 3 Tunneling为例，USB 4 Host透过USB 3 Protocol Adaptor，将USB 3 Protocol经USB 4 Transport Layer、USB 4 Logic Layer、USB 4 Electrical Layer转USB 4 Link传送到USB 4 Hub Electrical Layer。再依图5顺序进行一连串USB 3/USB 4转换，将讯号传送到USB 4 Device。9 [# f: K& W3 N8 R- u4 p; e
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图四
6 Q6 ]; G$ ^( k. }* q4 gUSB 3 隧道协议 & h7 W: v8 d/ D4 P- z" p4 W" K
6 f2 i, H& S2 L0 y& c' nUSB 4讯号由PCIe、USB 3及DisplayPort隧道协议组成。此篇幅单就USB 3隧道协议讲解。USB 3隧道协议，指的是将原始USB 3封包经由Protocol Adapter Layer 封装成Tunneled封包，藉由图5可以清楚知道，红色部分是USB 3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 USB 4 产品类型 1 ?% g. Z% L0 y
USB 4 Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。 " V8 ]! |5 a4 d
USB 4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。 . F9 f, a. _3 G( ]
USB 4-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。 # K# x8 a1 k, a
USB 4 Device：产品有一个UFP，没有任何的DFP。
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USB 4 支援的隧道协议
4 U2 ]! o$ u9 o1 R; I依据规格，对Host/Hub/Dock/Device必须支援的隧道协议有不同要求，如图6，打“Ｖ”为必须支援，其余则是可选择支援与否。 % D: b: h5 } Y- w7 O
例如USB Host必须支援USB 3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。 图六
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USB 4 支援的传输速率
3 [5 P9 j) O9 }* Y3 k* N2 E7 B6 pUSB 4支援USB 4 Gen2的20Gbps及USB 4 Gen3的40Gbps速度，是不是宣告支援USB 4就一定要支援这两个速度？
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对USB 4 Hub与USB 4-Based Dock来说，必须同时支援20Gbps及40Gbps。 $ a; L3 V8 [. s4 B
对USB 4 Host与USB 4 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 USB 4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，USB 4是一个比较大的挑战，除了产品设计和以往USB 3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。
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本文转自：电子产品世界
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发表于 2020-3-18 10:18
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