USB 4全名為Universal Serial Bus Generation 4。USB這個介面在1996年發布USB 1.0規格, 傳輸速度支援低速1.5 Mbps與全速12 Mbps，以及之后陸續發表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps等，并在2019年9月發布最新一代USB4規格，支援20 Gbps與40 Gbps。

USB介面演進及相對應的logo。

1 | USB 4 新功能

1）USB 4只采用USB Type-C連接器，USB 4訊號采雙通道傳輸；而過去的連接器如USB Type-A或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB 4。

2）USB傳輸速度最快支援40G(20Gbps×2)，并可同時傳送DisplayPort影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB 4架構的整體速度和性能。

3）向下相容USB 2.0與USB 3.2及支援Thunderbolt 3。

2 | USB 4 連接器與線纜

USB 4只采用USB Type-C連接器。

USB 4 Cable被動線纜，可支援的被動線纜長度由USB 3.2 Gen2的1公尺，降為USB 4 Gen3的0.8公尺。

若需較長的線纜，如連接大尺寸螢幕，或是VR應用，可使用主動式線纜。

USB 4主動式線纜為含有Repeater元件(如Re-timer、Re-driver等主動元件)的線纜，以及光纖線纜等。至于可支援的主動式線纜長度最長為5公尺。

3 | USB 4 架構

USB 4主要構成元件有路由器(Router)、適配器(Adapter)以及TMU(Time Management Unit，時間管理單元)。

路由器是USB 4的一個主要建構模塊，路由器將隧道協議轉換成USB4封包傳送，并透過TMU來作時間同步。主要由USB Host內建的Connection Manager 來偵測及管理。

適配器是內建在路由器里，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如USB 4 Host在傳輸USB 3資料(如圖2)，由內部USB 3 Host透過USB 3 Adapter進行協定封裝成USB 4 Tunneled Packet。一個路由器內部最多可以支援64個適配器。

TMU是內建在路由器里，使用分布式時間管理單元(TMU)，在路由器間做時間同步。

4 | USB 4 的五個層級

USB 4把功能區分為五個層級。

Protocol Adapter Layer：負責USB 4與不同協議間進行對應，并把不同協議封裝成Tunneled Packet，在USB 4介面內傳遞。

Configuration Layer：負責處理由Connection manager傳送來的控制封包(Control Packets)，并附加路徑中對應的地址(address)，確保其可靠的傳送機制。

Transport Layer：定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，并產生link management Packets以提供時間同步封包、流量控制封包等。

Logical Layer：負責建立2個裝置之間的USB 4連接，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測及復原機制，并且透過Sideband Channel進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

Electrical Layer：定義USB 4電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。

以USB 3 Tunneling為例，USB 4 Host透過USB 3 Protocol Adaptor，將USB 3 Protocol經USB 4 Transport Layer、USB 4 Logic Layer、USB 4 Electrical Layer轉USB 4 Link傳送到USB 4 Hub Electrical Layer。再依圖5順序進行一連串USB 3/USB 4轉換，將訊號傳送到USB 4 Device。

5 | USB 3 隧道協議

USB 4訊號由PCIe、USB 3及DisplayPort隧道協議組成。此篇幅單就USB 3隧道協議講解。USB 3隧道協議，指的是將原始USB 3封包經由Protocol Adapter Layer 封裝成Tunneled封包，藉由圖5可以清楚知道，紅色部分是USB 3的封包，而藍色部分是Tunneled封包，UFP(Upstream Facing Port)與DFP(Downstream Facing Port)之間會使用Physical Layer傳輸。

6 | USB 4 產品類型

USB 4 Host：產品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。

USB 4 Hub：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP。

USB 4-Based Dock：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP，且產品內還有其他元件的功能，如儲存裝置或網路功能。

USB 4 Device：產品有一個UFP，沒有任何的DFP。

7 | USB 4 支援的隧道協議

依據規格，對Host/Hub/Dock/Device必須支援的隧道協議有不同要求，如圖6，打“Ｖ”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。

例如USB Host必須支援USB 3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。

8 | USB 4 支援的傳輸速率

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就一定要支援這兩個速度？

對USB 4 Hub與USB 4-Based Dock來說，必須同時支援20Gbps及40Gbps。

對USB 4 Host與USB 4 Device來說，可以只支援20Gbps。40Gbps可列為額外支援，非必要支援速度。

結語

USB 4傳輸速率提升到40 Gbps，并且可以動態分享頻寬，當使用一條USB Type-C連接線就可以相容于市面上Thunderbolt 3和Display Port產品，對于消費者來說是一個更加便利的介面。但對于產品開發者來說，USB 4是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往USB 3的產品在架構上的差異，加上高頻信號在PCB及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。

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