一、什么是USB4™

USB4™，全称为Universal Serial Bus Generation 4，是USB接口技术的最新标准。自1996年USB 1.0发布以来，USB接口经历了多次重大演进，从最初的低速1.5 Mbps和全速12Mbps，逐步发展到480Mbps、5Gbps、10Gbps和20 Gbps等更高传输速率。2019年9月，USB4™规格正式发布，支持20Gbps和40Gbps的传输速率，标志着USB技术进入了一个新的时代。USB接口的演进历程及其对应的标志，如图表一所示。

二、USB4™功能3个重点

1.仅支持USB Type-C连接器。USB4™讯号采双信道传输。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.支持高达40 Gbps的传输速率，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.向下兼容USB 2.0与USB 3.2及支持Thunderbolt 3。

三、USB4™ 架构上3个重点

USB4™主要构成组件有Router（路由器），Adapter（适配器），以及TMU（Time Management Unit，时间管理单元）。

1.Router是USB4™的一个主要建构模块，Router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。

2.Adapter是内建在Router里，主要功能为Router与外部组件沟通的媒介，进行协议转换。例如USB4 Host在传输USB3数据（如下图），由内部USB3 Host透过USB3 Adapter进行协议封装成USB4 Tunneled Packet。一个Router内部最多可以支持64个Adapter。

3.TMU是内建在Router里，使用分布式时间管理单元（TMU），在Router间做时间同步。

四、USB4™ 依功能层级分为5种

1.Protocol Adapter Layer：负责USB4与不同协议间进行对应，并把不同协议封装成Tunneled Packet在USB4介面内传递。

2.Configuration Layer：负责处理由Connection manager传送来的Control Packets，并附加路径中对应的地址 （address），确保其可靠的传送机制。

3.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。

4.Logical Layer：负责建立2个装置之间的USB4链接，提供数据传送与接收、编码与译码，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，包括速度及双信道沟通。

5.Electrical Layer：定义USB4电气讯号的特性，如电压、抖动，编码等。

如下图，以USB3 Tunneling为例，USB4 Host透过USB3 Protocol Adaptor，将USB3 Protocol 经USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 转USB4 Link传送到USB4 Hub Electrical Layer。再依下图顺序进行一连串USB3/USB4转换，将讯号传送到USB4 Device。

五、USB3 隧道协定

USB4™支持多种隧道协议，包括PCIe、USB3和DisplayPort。此篇幅单就USB3隧道协议讲解。USB3隧道协议，指的是将原始USB3封包经由Protocol Adapter Layer封装成Tunneled封包， 藉由以下的图片可以清楚知道， 红色部分是USB3的封包而蓝色部分是Tunneled封包，UFP与DFP之间会使用Physical Layer传输。 

Note：

UFP： Upstream Facing Port，DFP： Downstream Facing Port

六、USB4™的产品有4种类型

1.USB4™Host：产品有一个以上DFP。没有任何的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device 的功能，如储存装置或网络功能。

4.USB4™Device：产品有一个UFP，没有任何的DFP。

Note:

UFP：Upstream Facing Port，DFP：Downstream Facing Port

七、USB4™支持的隧道协议

依据规格，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，其余则是可选择支持与否。

 例如USB Host必须支持USB3、DisplayPort与Host-to-Host Tunneling，可以不支持 PCI Express与TBT3 Tunneling。

八、USB4™支援的传输速率

USB4™支持两种主要的传输速率：USB4 Gen2的20 Gbps和USB4 Gen3的40 Gbps。对于USB4 Hub和USB4 Dock，必须同时支持这两种速率。而对于USB4 Host和USB4 Device，虽然可以仅支持20 Gbps，但40 Gbps的速率也被推荐作为额外支持，以满足更高性能的需求。

九、总结

USB4™技术的推出标志着USB接口进入了一个新的时代。其高达40Gbps的传输速率、动态带宽分配能力和广泛的兼容性，使其成为未来设备连接的理想选择。对于消费者而言，USB4™提供了一个更加高效、便捷的连接解决方案；而对于设备制造商来说，USB4™的开发需要克服高频信号设计等技术挑战。随着USB4™技术的普及，我们有理由相信，它将在未来几年内成为主流的连接标准，推动消费电子、高性能计算和多媒体设备等领域的发展。

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