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SuperSpeed USB Devices

Enabling SuperSpeed USB and Beyond

Pressroom

透視USB4:規格架構導讀
2020 Feb
撰稿:邱弘志 / 新事業發展部經理
編輯:程文豪、蘇怡安
 
隨著硬體與畫質技術的提升,手機和相機的鏡頭畫素越來越高,硬碟容量越來越大,使用者對於資料傳輸的需求與日俱增,因此,因應市場需求,在常用的電子裝置上,USB支援的傳輸速度持續向上提升,此現況已然發生。
讓我們回到1996年,當時發布的USB 1.0只有兩種傳輸速率:12Mbps與1.5Mbps;接著,來到2000年,近代最普遍的傳輸規格USB 2.0問世,傳輸速率提高至480Mbps,同時支援向下兼容 (Backwards compatibility)。在2006年,當時硬碟傳輸速率超過100MB/s,遠超過USB 2.0的傳輸限制,於此同時,網路技術快速發展,帶動數位內容產業,應用急遽擴增,於是,協會於2008年發布USB 3.0規格,也就是後來的USB 3.1 Gen1,傳輸速率可達5Gbps,仍支援向下兼容USB 2.0。
時代和科技持續地前進,4K / 8K高畫質影片為人們帶來前所未有的觀影體驗,更大容量的傳輸與儲存需求不容忽視。USB 3.1 Gen2規格再次提高傳輸速度至10Gbps。2017年9月推出的USB 3.2規格,定義同時使用USB Type-C的兩對高速訊號對,資料傳輸的速度再次由一對訊號線的10Gbps翻倍為兩對訊號線的20Gbps;由於同時使用兩對訊號線進行傳輸,因此唯有USB Type-C介面可支援20Gbps的傳輸速率規格。透過圖一USB Type-C的訊號腳位定義,可幫助我們更容易理解上述USB的規格與相容性。
圖一:USB Type-C介面之訊號腳位定義


USB Type-C介面共有24根腳位,為了完美解決方向性的限制,此24根腳位設計成左上與右下對稱,其中USB 2.0使用中間D+ / D-訊號,而前面提到的高速訊號對,則是圖中的高速通道1與高速通道2。在USB 3.2規格問世之前,只使用其中一組通道進行USB資料傳輸;而在USB 3.2世代,我們同時運用高速通道1與高速通道2,使資料傳輸速率可達到20Gbps。
USB-IF協會於2019年9月釋出最新的USB4規格書,此文將針對USB4之規格和USB4定義的初衷進行介紹。讓我們以這段來自USB4規格書的引述揭開序幕:
  • 透過USB Type-C介面,提供影像、資料與電源的傳輸。
  • 新的規格能向下兼容於既有的USB及Thunderbolt產品。
  • 定義介面的相容性,以符合使用者以往慣有的使用經驗與預期。
  • 對於頻寬、電源與其他性能有關參數的控制,提供主控端更高的彈性。
 
透過以上描述,可清楚了解USB4是基於USB Type-C介面而設計,除了原本可向下兼容於USB 3.2與USB 2.0之外,USB4並將原本USB 3.2的傳輸速率20Gbps (Gen 2x2)提升至40Gbps (Gen 3x2),且可以透過單一物理接口進行多種協議的傳輸。
USB4允許多種協議平行傳輸,包括Enhanced SuperSpeed USB (USB3)、DisplayPort (DP) 用於影像顯示,和PCI Express (PCIe) 用於資料傳遞。
USB4介面含括傳送與接收數據的高速傳輸通道,以及雙線的Sideband (SB) 通道 (SBTX / SBRX);而完整支持USB4的USB Type-C介面包括:USB4界面、USB 2.0數據線、USB Type-C Configuration Channel (CC) 和電源與地 (VBUS / VCONN / GND)。
USB4介面可作單通道或雙通道傳輸模式。當作為單通道運行時,USB4端口使用其中通道0,而通道1被禁用(如圖二所示)。當作為雙通道運行時,通道0與1整合成單一數據通道。


圖二:USB4通道

 
Sideband通道,在USB 3.2原本被定義為進入Alt-Mode (Alternate Mode) 模式之後提供影像協議溝通的通道(例如:DP Alt-Mode透過Sideband通道傳遞AUX訊號);在USB4規格中,Sideband通道新增用以確認USB4介面是否連接、通道的起始與關閉、通道的初始化,以及進入或離開睡眠模式。
傳輸距離也由於USB規格的不同而有所差異,關於傳遞線材的比較,如同表一所示,USB 3.2 Gen1傳輸速率為5Gbps,線材最長長度為2m,無論電流是3A或5A,皆須以Electronic marker (E-Marker) 作為線材的識別。USB 3.2 Gen2與USB4 Gen2傳輸速率為10Gbps,線材最長長度減少為1m,20Gbps的USB4 Gen3線材長度最長為0.8m,以上都需要E-Marker作為識別。


表一:不同USB規格對應之線材長度以及是否需要E-Marker
USB Version Cable Length Current Rating USB Power Delivery USB Type-C
Electronically Marker
USB 2.0 ≦4m 3A Supported Optional
5A Required
USB 3.2 Gen1 &
USB4 Gen2
≦2m 3A Supported Required
5A Required
USB 3.2 Gen2 &  USB4 Gen2 ≦1m 3A Supported Required
5A Required
USB4 Gen3 ≦0.8m 3A Supported Required
5A Required
 
USB4型態上分為主控端 (Host) 與裝置端 (Device),裝置端進而依據是否繼續延伸的下行口再分為集線器 (Hub) 與周邊裝置 (Peripheral Device)。
USB4 Host的所有下行口,皆需支援DP Alt-Mode,可提供DP訊號,支援20G USB4操作 (Gen 2x2),而40Gbps USB4 (Gen 3x2)與PCIe的控制器皆為實作選項。
Hub與Peripheral Device都只有一個上行口,Hub可有多個USB下行口。USB 4 Peripheral Device需支援20Gbps USB4 (Gen 2x2),而40Gbps USB4 (Gen 3x2)則為實作選項;另外可依據裝置之設計需求,包含PCIe switch、DP發射或接收端。
USB4 Hub所有下行口需支援DP Alt-Mode,且向下相容USB 3.2與USB 2.0裝置。Hub需包含Enhanced SuperSpeed USB Hub、PCIe Switch及USB 2.0 Hub。USB4 Hub需同時支援20Gbps USB4 (Gen 2x2)與40Gbps USB4 (Gen 3x2)操作。
關於Thunderbolt,USB4 Hub所有下行口需支援Thunderbolt 3 (TBT3) 的操作,而USB4的Host或Peripheral device則可依據需求選擇是否支援TBT3。以下表二和表三分別列出USB Host、USB Hub以及USB Peripheral Device對於不同協議支援的選項(表二),以及可以支援的USB傳輸速率(表三)。


表二:USB4不同裝置支援協議
  USB PCIe DP Alt-Mode TBT3 Alt-Mode
USB4 Host V O V O
USB4 Hub V V V V
USB4 Peripheral Device V O O O
V: 必須, O: 實作選項


表三:USB4不同裝置支援USB傳輸速率
  20G (Gen2 x 2) 40G (Gen3 x 2)
USB4 Host V O
USB4 Hub V V
USB4 Peripheral Device V O
 
V: 必須, O: 實作選項


裝置可透過Hub作樹狀的擴充。Host位於樹狀結構的頂層,樹狀結構至多可疊加六層,亦即裝置端與Host端的最遠連線,是透過四層Hub進行串接。而USB4訊號與協議的傳遞,透過圖三的Protocol Adapter Layer、Configuration Layer、Transport Layer、Logical Layer與Electrical Layer堆疊而成。

圖三:USB4通道協議層

 
Electrical Layer與Logical Layer為實體層。Electrical Layer定義了USB4的電氣訊號特性如電壓、時機誤差 (jitter)…等參數。Logical Layer負責建立兩個裝置之間的USB4連線,並提供資料傳送與接收的服務。Transport Layer定義了封包格式,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。Protocol Adapter Layer (PAL) 負責USB4與不同協議間進行對應,並封裝Tunneled Packets在USB4介面內傳遞。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,以確保傳送穩定。
USB4也支援Host-to-Host連接,透過Host Interface Tunneled Packet在兩個Host之間進行資料溝通,分為兩種模式:一次性傳送檔案的Raw Mode,或每次傳送4096 bytes的Frame Mode。
了解USB4的基本規格之後,接下來將介紹各種協議於USB4裝置之間如何傳遞。
USB4 Host支援USB3通道協議、DP通道協議、Host-to-Host通道協議,並可依據需求支援PCIe通道協議;USB4 Hub支援USB3通道協議、DP通道協議、Host-to-Host通道協議,以及PCIe通道協議;USB4 Device不支援Host-to-Host通道協議,除此之外可依據實際需求選擇支援上述任一協議。
圖四將列出USB3在整個連結中從Host端、經由Hub到Peripheral Device的傳遞路徑。在Host中,USB3的訊號由Enhanced SuperSpeed Host送出,經由USB3 DN Adapter進入Host Router,並由USB4 Port經USB Type-C介面連接下一層Hub,而Hub內部有一個USB3的Enhanced SuperSpeed Hub。資料經由Hub內部Device Router中的USB 3 Up Adapter傳送至Enhanced SuperSpeed Hub,於分配後再經由Device Router的USB3 DN Adapter向下傳遞,經由USB4 Port,到達USB Type-C的下行口。在此之後,最終的Peripheral Device由Device Router將訊號傳遞至目的地。

圖四:USB3訊號傳遞路徑


藉由圖四和下列圖五的比對結果,我們將進一步詳細了解USB在整個訊號傳遞過程的協議內容。在傳遞過程中,訊號依據傳遞路徑,在USB3 Link及USB4 Tunneling之間切換。其USB4 Tunneling協議在Router內部傳遞的路徑,就是(參考圖三)由PAL一直傳遞至實體層的Electrical Layer。當Enhanced SuperSpeed Host送出USB3的訊號,由PAL對應USB3 Host Controller中Link Layer傳遞而來的資料,經實體層Electrical Layer透過USB Type-C介面傳送至下行裝置。Hub的上行口與Host下行口透過Electrical Layer對接,Hub裝置內的Enhanced SuperSpeed Hub則同樣透過PAL對應USB3 Link Layer,送進Enhanced SuperSpeed Hub,於Hub內部分配後,再透過Link Layer與Hub下行口的PAL對接,爾後轉換為Electrical Layer經Hub下行口的USB Type-C傳送至最終的裝置端。流程如圖五所示。


圖五:USB協議傳遞路徑


接下來看DisplayPort協議的傳遞路徑。
在USB 4 Router有DP IN Protocol Adapter與DP OUT Protocol Adapter。DP IN Protocol Adapter主要與DP Source建立連接,而DP OUT Protocol Adapter則與DP Sink建立連接。在Router裡,可有多組DP IN Protocol Adapter與DP OUT Protocol Adapter,而DP訊號在Router之中傳遞無方向限制,只需要從DP IN Protocol Adapter開始並於DP OUT Protocol Adapter結束。
透過圖六,可清楚理解DP協議由DP Source到DP Sink傳遞的完整過程。由DP Source端的PHY Electrical Sub-Block傳遞至下層Router的PHY Electrical Sub-Block,並由Router內的PAL轉換成USB4封包,繼續在Router內傳遞,直到底層DP Sink之前,才由前一層的Router將USB4透過PAL轉換回DP協議,並經過PHY Electrical Sub-Block傳遞到DP Sink。
圖六:DisplayPort協議傳遞路徑
 

至此,我們了解USB和DisplayPort的協議,最後來看PCIe。下列圖七,列出PCIe 由Host端經由Hub到Peripheral Device的整個傳遞路徑。在Host中,PCIe訊號由PCIe Controller送出,從PCIe DN Adapter進入Host Router,經USB4 Port由USB Type-C介面傳送至下一層Hub。PCIe的協議經由Hub內部Device Router的PCIe Up Adapter進入Hub內部的PCIe Switch。經由分配,從Device Router的PCIe DN Adapter經由USB4 Port向下到達USB Type-C下行口。最終的Peripheral Device,透過USB Type-C介面收到訊號,由Device Router當中的PCIe Up Adapter將訊號傳遞至目的地。
圖七:PCIe訊號傳遞路徑
 

PCIe傳遞過程與USB傳遞的方式類似,比對圖七和圖八,可理解訊號會依據傳遞路徑在PCIe協議與USB4協議之間切換。當Host內PCIe Controller送出PCIe的協議,由Host內部PAL對應PCIe中Logical sub-block傳遞而來的資料,經實體層Electrical Layer透過USB Type-C介面傳送至Hub。而Hub的上行口與Host下行口透過Electrical Layer對接,Hub裝置內的PCIe Switch同樣透過PAL對應到PCIe Switch的Logical sub-block;PCIe Switch內部分配後,透過Logical sub-block與Hub下行口的PAL對接,經Electrical Layer向Hub下行口的USB Type-C傳送至終端裝置端,最後於裝置端轉換為PCIe協議,送到裝置內需要PCIe訊號的部份。

圖八:PCIe協議傳遞路徑


此外,最新的USB4規範,同步新增Host-to-Host的溝通,透過新的Host Interface Adapter,可讓兩個主控端的Connection Manager進行對話,同樣透過USB4協議傳遞,如圖九所示。
圖九:Host-to-Host協議傳遞路徑
 

USB4是基於USB Type-C介面所定義的最新傳輸協議,整合了顯示、資料、存儲…等各項功能。相較於USB 3.2,不僅傳輸速率提高至40Gbps,更與PCIe、Thunderbolt等協議相容,支援主機到主機之間的溝通傳遞,規格差異如表四所示。


表四:規格差異比較
  USB 3.2 USB4
Interface Bandwidth
on USB-C
20Gbps (Gen 2x2) for USB only 40Gbps (Gen 3x2) for USB/ DP/ PCIe/ TBT3
Protocol
USB only or
USB+DP Alt-Mode
USB4 Link through Tunneling architecture for USB/ DP/ PCIe
DP Alt-Mode USB3.2 Gen2x1+DP 1.4a DP 1.4a through Tunneling architecture
PCIe X PCIe 4.0 through tunneling architecture
TBT3 X V
Host-to-Host X V
Sideband Alt-Mode
Alt-Mode /
USB4 Configuration Space
X: 不支援,V: 支援


目前市面上既有的USB Type-C轉接產品,最常見的為USB擴展塢 (Dock Station),若升級為USB4規格,將可傳遞超高畫質影像,例如:從一組8K影像變成兩組同步輸出,或是透過支援TBT3、PCIe的USB Type-C介面,擴充顯示卡或存儲裝置。
此外,VR、AR甚至延伸至XR,顯像技術不斷地提升。舉例HTC VIVE,自剛問世的2160 x 1200像素(單眼解析度1080 x 1200像素)到CES 2019公布的VIVE Cosmos已提升至2880 x 1700像素(單眼解析度1440 x 1700像素),另有HP推出Windows VR Reverb,單眼解析度達2160 x 2160像素!越高的解析度即代表越大的頻寬需求,透過USB4,不但能傳遞更高解析度影像,還可以傳送VR其他傳感器的訊號,並對頭戴裝置提供電源,於此領域的應用前景,以及周邊生態鏈的發展,都將有所改變。
而USB4的誕生,讓主機之間可以進行資訊溝通,規格中有提到,讓兩個主機交換由網路獲得的IP封包,類似應用或許可運行於人工智慧相關領域;AI需進行大量平行運算,過去可能透過網路,而未來是否能透過USB直接由主機交換運算的結果,將是值得討論的課題;若用於邊緣端的物聯網裝置,也可透過USB擴充硬體功能,新增的硬體能透過USB4與裝置進行溝通與更新。
USB4在USB Type-C的基礎之下,增加了對DP、PCIe、Thunderbolt等協議的相容性,同步提升傳輸效率;就像5G通訊技術一樣,傳輸速度加倍、連網裝置增加、傳輸時延降低…等,USB4的眾多新特色,也將會為消費性電子產品,擴充更多應用和可能!
 
說明1:本篇章圖片引用自USB 3.0 Promoter Group (August, 2019). Universal Serial Bus 4 (USB4™) Specification, Version 1.0
說明2:本篇文章同步刊載於城邦新電子雜誌 2020年版嵌入式系統設計解密 特刊