Der volle Name von USB4 ist die universelle serielle Busgeneration4. Der USB Die Schnittstelle wurde 1996 in der 0-Spezifikation veröffentlicht, die Übertragungsgeschwindigkeit unterstützt 1.5 Mbit/s bei niedriger Geschwindigkeit und 12 Mbit/s bei voller Geschwindigkeit. Anschließend wurden nacheinander die Unterstützungsgeschwindigkeiten 480 Mbit/s, 5 Gbit/s, 10 Gbit/s, 20 Gbit/s usw. veröffentlicht und die neueste Generation veröffentlicht USB4-Spezifikation im September 2019, die 20 Gbit/s und 40 Gbit/s unterstützt. Für die Entwicklung von USB Schnittstelle und das entsprechende Logo finden Sie in Abbildung 1.

Drei Hauptmerkmale von USB4

1. USB4 verwendet nur USB-Typ C Stecker und USB4 Signal übernimmt Dual-Channel-Übertragung; In der Vergangenheit, Steckers wie USB-Typ-A oder Micro-B unterstützten nur die Einkanalübertragung und konnten keine USB4.

2. Der Schnellste USB Die Übertragungsgeschwindigkeit unterstützt 40 g (20 Gbit/s x 2) und kann gleichzeitig DisplayPort-Video und Audio übertragen. Ziel ist es, mehrere Protokolle in einer einzigen physischen Schnittstelle zu kombinieren, die die Gesamtgeschwindigkeit und Leistung dynamisch teilen kann USB4-Architektur.

3. Abwärtskompatibilität USB2 0 und USB3 2 und unterstützt Thunderbolt 3.

USB4 Stecker und Kabel-Schlüsselpunkte

1. USB4 verwendet nur USB Typ C Stecker.

2. Passives Usb4cable-Kabel. Die Länge des unterstützten passiven Kabels wird durch USB3 1 Meter bei 2Gen2 bestimmt, reduziert auf 0.8 Meter bei USB4Gen3.

3. Wenn Sie ein langes Kabel benötigen, z. B. zum Anschließen eines großen Bildschirms oder einer VR-Anwendung, können Sie ein aktives Kabel verwenden. USB4 aktive Kabel sind Kabel, die Repeater-Elemente (z. B. Re-Timer, Re-Treiber und andere aktive Elemente) sowie Glasfaserkabel enthalten. Die maximale Länge des unterstützten Aktivkabels beträgt 5 Meter.

USB4 Architekturschwerpunkte

Die Hauptbestandteile von USB4 umfassen Router, Adapter und TMU (Zeitmanagementeinheit).

1. Der Router ist ein Hauptbaumodul von USB4. Der Router wandelt das Tunnelprotokoll in um USB4 Pakete zur Übertragung und führt eine Zeitsynchronisierung über TMU durch. Es wird hauptsächlich vom in usbhost integrierten ConnectionManager erkannt und verwaltet.

2. Der Adapter ist im Router integriert. Seine Hauptfunktion besteht darin, das Protokoll zwischen dem Router und externen Komponenten umzuwandeln. Wenn beispielsweise usb4host USB3-Daten überträgt (wie in Abbildung 2 dargestellt), kapselt der interne usb3host das Protokoll über usb4adapter in usb3tunneledpacket. Ein Router kann bis zu 64 Adapter unterstützen.

3. TMU ist im Router integriert und nutzt die Distributed Time Management Unit (TMU), um die Zeit zwischen Routern zu synchronisieren.

Abbildung II

USB4 ist funktionsmäßig in fünf Ebenen unterteilt

1. Protokolladapterschicht: Sie ist für die Korrespondenz zwischen verantwortlich USB4 und verschiedene Protokolle, die verschiedene Protokolle in getunnelte Pakete kapseln und diese im übertragen USB4 Schnittstellen.

2. Konfigurationsschicht: Sie ist für die Verarbeitung der vom Verbindungsmanager übertragenen Steuerpakete und das Anhängen der entsprechenden Adresse an den Pfad verantwortlich, um einen zuverlässigen Übertragungsmechanismus sicherzustellen.

3. Transportschicht: Definieren Sie Paketformat, Pfad, Flusskontrolle und Zeitkontrolle und generieren Sie Linkmanagementpakete, um Zeitsynchronisationspakete, Flusskontrollpakete usw. bereitzustellen.

4. Logische Schicht: Sie ist für die Etablierung verantwortlich USB4-Verbindung zwischen den beiden Geräten, die Datenübertragung und -empfang, Kodierung und Dekodierung, Energieverwaltung, Fehlererkennungs- und Wiederherstellungsmechanismen sowie die Durchführung der Kanalinitialisierungskommunikation über den Seitenbandkanal, einschließlich Geschwindigkeits- und Zweikanalkommunikation, ermöglicht.

5. Elektrische Schicht: Definiert die Eigenschaften von USB4 elektrische Signale wie Spannung, Jitter, Codierung usw.

Abbildung III

Wie in Abbildung 4 gezeigt, überträgt usb3host am Beispiel von usb4tunneling das usb3-Protokoll über usb4transportlayer, usb4logiclayer und usb4electricallayer über usb4protocoladapter an usb3hubelectricallayer. Führen Sie dann eine Reihe von USB3 / USB4 Konvertierung gemäß der Reihenfolge in Abbildung 4, um das Signal an usb4device zu übertragen.

Abbildung IV

USB3-Tunnelprotokoll

Der USB4-Signal besteht aus den Tunnelprotokollen PCIe, USB3 und DisplayPort. Dieses Raumblatt erklärt das USB3-Tunnelprotokoll. Das USB3-Tunnelprotokoll bezieht sich auf die Kapselung des ursprünglichen USB3-Pakets in ein getunneltes Paket über die Protokolladapterschicht. Aus Abbildung 5 ist deutlich zu erkennen, dass der rote Teil das USB3-Paket und der blaue Teil das getunnelte Paket ist. Die physikalische Schicht wird zwischen UFP (Upstream-Port) und DFP (Downstream-Port) verwendet.

Abbildung V.

USB4 Produkttyp

1. Usb4host: Das Produkt verfügt über mehr als ein DFP ohne UFP.

2. Usb4hub: Das Produkt verfügt über ein UFP und ein oder mehrere DFPS.

3. USB4-basiertes Dock: Das Produkt verfügt über ein UFP und ein oder mehrere DFPS, und das Produkt verfügt auch über die Funktionen anderer Komponenten, wie z. B. Speichergeräte oder Netzwerkfunktionen.

4. USB4-Gerät: Das Produkt verfügt über ein UFP ohne DFP.

Tunnelprotokoll unterstützt von USB4

Gemäß den Spezifikationen gelten unterschiedliche Anforderungen an die Tunnelprotokolle, die vom Host / Hub / Dock / Gerät unterstützt werden müssen. Wie in der Abbildung unten gezeigt, muss „V“ markiert werden, der Rest kann unterstützt werden oder nicht.

Beispielsweise muss usbhost USB3, DisplayPort und Host-to-Host-Tunneling unterstützen, PCIexpress und tbt3tunneling werden jedoch nicht unterstützt.

Abbildung VI

Übertragungsrate unterstützt von USB4

USB4 unterstützt 20 Gbit/s von USB4Gen2 und 40 Gbit/s von USB4Gen3. Ist es notwendig, diese beiden Geschwindigkeiten zu unterstützen, wenn die Unterstützung angekündigt wird? USB4?

Der usb4hub und USB4-basiertes Dock muss sowohl 20 Gbit/s als auch 40 Gbit/s unterstützen.

Für usb4host und usb4device können nur 20 Gbit/s unterstützt werden. (40 Gbit/s können als zusätzliche Unterstützungsgeschwindigkeit aufgeführt werden, nicht unbedingt erforderliche Unterstützungsgeschwindigkeit).

Abbildung VII

Abschluss

Der USB4-Übertragungsrate wird auf 40 Gbit/s erhöht und kann die Bandbreite dynamisch teilen. Bei Verwendung einer USB-Typ-C-Verbindungsleitung kann es mit Thunderbolt 3- und DisplayPort-Produkten auf dem Markt kompatibel sein, was eine bequemere Schnittstelle für Verbraucher darstellt. Für Produktentwickler gilt jedoch USB4 ist eine große Herausforderung. Neben den Unterschieden in der Architektur zwischen Produktdesign und früheren USB3-Produkten und der Dämpfung von Hochfrequenzsignalen auf PCB und Steckers, wir müssen der Hochfrequenz-Impedanzanpassung mehr Aufmerksamkeit schenken, um die Qualität der übertragenen Signale in der Entwicklungsphase sicherzustellen.

USB Stecker