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USB 4 支援的隧道协议

FPGA之家 来源:FPGA之家 作者:FPGA之家 2022-08-14 09:06 次阅读

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。

USB介面演进及相对应的logo。

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1 | USB 4 新功能

1)USB 4只采用USB Type-C连接器,USB 4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USB 4。

2)USB传输速度最快支援40G(20Gbps×2),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USB 4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。

2 | USB 4 连接器与线缆

USB 4只采用USB Type-C连接器。

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。

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。

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。

3 | USB 4 架构

USB 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)。

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。

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。

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。

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4 | USB 4 的五个层级

USB 4把功能区分为五个层级。

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。

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。

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。

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。

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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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。

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5 | USB 3 隧道协议

USB 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。

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6 | USB 4 产品类型

USB 4 Host:产品有一个以上DFP,没有任何的UFP。

USB 4 Hub:产品有一个UFP,并且有一个或多个DFP。

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。

USB 4 Device:产品有一个UFP,没有任何的DFP。

7 | USB 4 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,如图6,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USB 3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling,可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。

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8 | USB 4 支援的传输速率

USB 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?

对USB 4 Hub与USB 4-Based Dock来说,必须同时支援20Gbps及40Gbps。

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。

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结 语

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。

审核编辑:彭静
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    2332772-1 2332772-1 同轴端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 连接器系统 : 缆到缆 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 与射频电缆类型兼容 : 同轴 连接器种类 : 插头 连接器类型 : 同轴接触件 结构特性 Number of Positions : 1 电气特征 阻抗 (Ω): 50 阻抗选项 : 固定 主体特性 车身角度 : 直式 接触件特性 射频连接器中心端子材料 : 铍铜合金 ...
    发表于 08-17 03:00 95次 阅读

    ZPF000000000015265 DMC-M 12-20 PB 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 矩形连接器插入类型 : 插针 连接器系统 : 线到线 Sealable : 是 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 产品类型 : 模块 结构特性 Number of Positions : 12 主体特性 模块材料 : 复合 接触件特性 端子类型 : 插针 端子插极配置 : 12 端子额定电流(最大值) (A): 7.5 端接特性 ...
    发表于 08-17 02:00 92次 阅读

    ZPF000000000015298 DMC-M 20-22 BD 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 矩形连接器插入类型 : 插座 连接器系统 : 线到线 Sealable : 是 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 产品类型 : 模块 结构特性 Number of Positions : 20 主体特性 模块材料 : 复合 接触件特性 端子类型 : 插座 端子插极配置 : 20 端接特性 线缆端接方法 : 压接 ...
    发表于 08-17 02:00 127次 阅读

    ZPF000000000015310 DMC-M 20-22 SA 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 矩形连接器插入类型 : 插座 连接器系统 : 线到线 Sealable : 是 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 产品类型 : 模块 结构特性 Number of Positions : 20 主体特性 模块材料 : 复合 接触件特性 端子类型 : 插座 端子插极配置 : 20 端子额定电流(最大值) (A): 5 端接特性 ...
    发表于 08-17 01:00 101次 阅读

    ZPF000000000110281 732-8255-22 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 矩形连接器插入类型 : 插针 连接器系统 : 线到板 Sealable : 是 连接器和端子端接到 : 印刷电路板 产品类型 : 模块 结构特性 Number of Positions : 20 主体特性 模块材料 : 复合 接触件特性 端子类型 : 插针 端子插极配置 : 20 端子额定电流(最大值) (A): 5 机械附件 ...
    发表于 08-17 01:00 151次 阅读

    5-104506-4 5-104506-4 线对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 施加的压力 : 标准 连接器系统 : 线到板 Sealable : 否 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 电气特征 Operating Voltage (VAC): 300 介质耐压(最大值) (V): 750 绝缘电阻 (MΩ): 5000 端接电阻 (mΩ): 12 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 端子底板材料 : 镍 端子接合区域电镀材料厚度 (µin): ...
    发表于 08-17 00:00 112次 阅读

    5531216-2 5531216-2 板对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 连接器系统 : 缆到缆 Sealable : 否 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 PCB 端子端接区域电镀材料 : 锡 端子接合区域电镀材料厚度 : .762 µm [ 30 µin ] PCB 端子端接区域电镀材料厚度 : 1.27 µm [ 50 µin ] 端子类型 : 插座 端子接触部电镀材料 : 金 端子方向 : 直式 端子额定电流...
    发表于 08-16 23:00 124次 阅读

    925649-000 925649-000 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 矩形连接器插入类型 : 插针 连接器系统 : 线到线 Sealable : 是 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 外壳尺寸 : 50.8 [2] 产品类型 : 端子插入件 结构特性 Number of Positions : 20 键控 : A 主体特性 颜色 : 黑色 插针类型 : 环境 接口密封 : 带有 ...
    发表于 08-16 18:00 149次 阅读

    1318912-3 1318912-3 线对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 连接器系统 : 线到板 Sealable : 否 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 结构特性 与线缆类型兼容 : 分离式导线 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 端子长度 : 3 mm [ .118 in ] 导线端子端接区域电镀材料 : 预镀锡 导线端子端接区域电镀材料厚度 (µm): .8 接合方柱尺寸 : 1.14 mm [ .044 in ] 端子类型 : 插座 ...
    发表于 08-16 17:00 111次 阅读

    167300-8 167300-8 线对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 施加的压力 : 标准 连接器系统 : 线到板 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 结构特性 与线缆类型兼容 : 分离式导线 电气特征 Operating Voltage (VAC): 250 介质耐压(最大值) (V): 750 绝缘电阻 (MΩ): 5000 端接电阻 (mΩ): 12 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 端子接合区域电镀材料厚度 (µin): 30 ...
    发表于 08-16 14:00 142次 阅读

    102100-5 102100-5 板对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 施加的压力 : 高 连接器系统 : 板对板 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 电气特征 接触电阻 (mΩ): 12 绝缘电阻 (MΩ): 5000 介质耐压(最大值) (VAC): 1200 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 PCB 端子端接区域电镀材料 : 锡 端子接合区域电镀材料厚度 : .4064 µm [ 16 µin ] PCB 端子端接区域电镀材料厚度 : .4064 µm [ 16 µ...
    发表于 08-16 14:00 175次 阅读

    T2040243101-000 T2040243101-000 矩形端子插针

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 Sealable : 否 产品类型 : 端子插入件 结构特性 Number of Positions : 24 接触件特性 端子类型 : 插针 端子插极配置 : 24+PE 端子额定电流(最大值) (A): 16 端接特性 线缆端接方法 : 簧片端子 尺寸 Wire Size (AWG): 14 – 20 Wire Size (mm²): .5 – 2.5 操作/应用 ...
    发表于 08-16 13:00 115次 阅读

    104505-3 104505-3 线对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 施加的压力 : 标准 连接器系统 : 线到板 Sealable : 否 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 电气特征 Operating Voltage (VAC): 300 介质耐压(最大值) (V): 750 绝缘电阻 (MΩ): 5000 端接电阻 (mΩ): 12 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 端子底板材料 : 镍 端子接合区域电镀材料厚度 (µin): ...
    发表于 08-16 11:00 123次 阅读

    583259-3 583259-3 板对板连接器端子

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 连接器系统 : 板对板 Sealable : 否 连接器和端子端接到 : 电线和电缆 接触件特性 端子基材 : 磷青铜 端子接合区域电镀材料厚度 : .381 µm [ 15 µin ] PCB 端子端接区域电镀材料厚度 (µm): 2.54 PCB 端子端接区域电镀材料厚度 (µin): 15, 100 端子类型 : 插座 端子接触部电镀材料 : 金 端子方向 : 直式 端子额定电流...
    发表于 08-16 10:00 125次 阅读