科普|USB4,DP2.0,TB4,HDMI2.1接口
最近消费类领域接口可谓是百花争艳，各种技术升级层出不穷，目前各种接口最新的版本如下：
USB系列，代表最高技术和版本的为USB4
Displayport系列，代表最高技术和版本的为DP2.0（下一集）
Thunderblot系列，代表最高技术和版本的为TB4.0（下一集）
HDMI系列，代表最高技术和版本的为HDMI2.1（下一集）
今天我们一起科普USB4接口
USB系列：代表最高技术和版本的为USB4
USB-Implementers Forum（USB-IF）于2019年9月3日正式发布USB4™ 的规格，主要更新为依据现有USB3.2 及USB2.0 架构做补充，来建构新一代USB。USB4™ 的架构基于Thunderbolt™的协议规范（该规范由Intel贡献给USBPromoter Group），最高传输速率由原本USB3.2 的20Gbps（10G x2），增加ㄧ倍到40Gbps（20G x2），并可同时传送多个资料及影像。
USB4接口其实有两个版本，一是全速的“USB4 40”，带宽40Gbps，二是半速的“USB4 20”，带宽仅为20Gbps，也就是等同于USB 3.2 Gen2x2。由于过往的USB接口命名经常收到吐槽，1998年出现USB 1.1标准时，USB1.1标准将之前USB1.0纳入USB1.1名下，USB1.0正式更名为USB1.1 Low Speed，而12Mb/s 的USB1.1则被称为USB1.1 High Speed。
USB2.0标准出炉后，之前12Mbps的USB1.1和1.5Mbps的USB1.0被纳入USB2.0标准，USB1.1 High Speed被改名成USB2.0 Full Speed，480Mbps的USB2.0则称为USB2.0 High Speed。
USB3.1标准出现后，5Gbps USB3.0更名为USB 3.1 Gen1，而10Gbps的USB3.1更名为USB 3.1 Gen 2。
所以USB-IF将之前的20Gbps USB 3.2并入USB 4 我也不会感觉到奇怪。甚至如果有哪家厂商再耍一次障眼法，将USB 3.1更名为USB 4 Full Speed也不是不可能的事。数据接口混乱加上传输标准混乱非常容易给一些厂商浑水摸鱼的机会，模拟两可的描述，夸张的宣传词，很容易出现高价买到低配产品的问题。大家在购买产品时一定要认真仔细看清出产品的详细参数，一定要避免钱花了东西还差的悲剧出现
最近USB协会终于做了一个终极命名方式，后续有IF认证的数据线上面都会要求有USB接口标识，接口部分、数据线上都会有提示，便于消费者认知。USB Logo使用方法介绍
USB 2.0：一个单纯的USB标识。
USB 3.25Gbps（也就是USB 3.0）：SuperSpeed USB标识加数字5，代表带宽5Gbps。
USB 3.2 10Gbps（也就是USB 3.1）：SuperSpeed USB标识加数字10，代表带宽10Gbps。
USB 3.2 20Gbps（真正的USB 3.2）：SuperSpeed USB标识加数字20，代表带宽20Gbps。
USB3/DP（USB 3.x与DisplayPort接口合体）：SuperSpeed USB标识加DisplayPort标识。
USB4 20：包括数字20的USB标识，代表带宽20Gbps。
USB4 40：包括数字40的USB标识，代表带宽40Gbps
USB4主要结构发布
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，市场目前的主要线缆结构均参照同轴为主，部分厂商用对绞版本也在测试验证中，待送协会测试，未来将公布USB4线缆厂商各位参考。
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。
连接器部分：
USB4™ Gen3 Type-C Receptacle母座连接器在测试的时候需要搭配Golden Plug高频治具来测试Group A-8。
USB协会接受认证的Type-C连接器的contacts pin数如下：
Type-C Receptacle母座连接器对于EMC的设计可认证有7种和不可认证有3种
USB4主要标准解读
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。
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。
USB 4 的五个层级
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。
如图4，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。
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与DFP之间会使用Physical Layer传输。
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。
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，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。
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。
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。
汇总值得期待的USB4主要优点
40 Gbps最大速度：
通过使用双通道电缆，某些设备将能够以高达40 Gbps的速度运行，速度与Thunderbolt 3相同.
与Thunderbolt 3设备兼容：
部分（但不一定是所有）USB 4实施也适用于Thunderbolt 3设备。
更好的视频资源分配：
如果您使用USB 4端口同时传输视频和数据，端口将相应地分配带宽。因此，如果视频仅需要20％的带宽来驱动您的1080p显示器（也是一个集线器），那么另外80％的视频将可以从外部SSD传输文件。
将使用Type-C端口
USB4只能在Type-C连接器上运行。不要指望看到带有老式Type-A端口的USB 4设备或集线器。因为其他最近的标准，如USB Power Delivery仅适用于Type-C,例如，如果使用适配器连接到Type-A 3.1端口，速度和功率将下降到最小公分母。
所有USB4主机均支持USB PD
目前一些USB Type-C设备支持USB供电（USB PD）标准，用于向高功率设备供电，但并非所有设备都可以。每个USB 4设备和主机都必须符合USB PD，这样可以实现更高的功率和更好的电源管理。
USB PD理论上可以提供高达100瓦的功率，但充电设备不必支持这么大的功率。因此，无法保证给定的USB 4端口能够提供或占用特定笔记本所需的数量。
向后兼容较旧的设备
所有USB产品的最佳之处在于它们如何协同工作。USB 4可与USB 3和USB 2设备和端口配合使用。但是你只能获得连接中最薄弱环节的速度和能力。当将USB 4设备挂接到USB 3.2端口时，USB 4设备将无法以40 Gbps的速度传输，而旧式USB 2端口不会因为将其连接到全新的USB 4备份驱动器而突然变得更快。
制造成本比USB 3.2更高
大规模采用的另一个障碍是增加了USB 4的成本,虽然不知道PC和设备供应商增加USB 4连接的确切成本，但已知的是它需要比最新的当前标准更昂贵的组件，USB 3.2
为什么USB 4被正式拼写为“USB4”
与其他所有版本的USB不同，新规范在版本号之前正式拼写，没有空格。虽然我们认为大多数人可能会把它写成USB 4，但官方名称是USB4,USB Promoter Group首席执行官布拉德·桑德斯（Brad Saunders）解释说，他在删除空间方面的目标是将重点放在版本号和品牌名称上,USB 3.x规格已经填充了不同的版本号，包括USB 3.0，USB 3.1 Gen 1，USB 3.1 Gen 2和四个不同版本的USB 3.2，此外还有USB PD等可选功能的存在与否备用模式。但桑德斯说，这些数字真的适合开发人员，他希望原始设备制造商在营销他们的产品时会使用更简单的术语，如“SuperSpeed USB”.
也许是因为他担心营销人员向消费者投入太多数字，Saunders表示该组织不打算使用版本号进行规格更新。因此，即使两年内迭代速度更快，它仍然可能被称为USB 4，但速度数字在其之后（比如USB 4 80 Gbps）。
USB4和众多接口的关系
USB4和DP2.0的关系解读
2020-05-04日，VESA组织宣布了DisplayPort Alt Mode 2.0规范，允许USB Type-C接口转换为DP2.0模式，用以传输音视频资源。按照VESA的说法，他们正与USB-IF组织密切合作，以确保两者无缝集成。将来，用户既可以借助DP接口、USB-C线缆来输出，也能借助USB4接口的DP隧道模式。
USB4和雷电接口的关系解读
USB 4则是最新一代的USB标准，它使用的也是USB-C物理形态，不过USB 4是基于雷电3打造而来的，所以它们之间是相互兼容的，雷电3的理论速度就是40Gbps，英特尔也确认了，USB 4接口其实有两个版本，一是全速的“USB4 40”，带宽40Gb/s，二是半速的“USB4 20”，带宽仅为20Gb/s，换句话说，全速的USB 4基本等同于雷电3，实际上雷电3接口在前两年确实比较超前了，直到去年英特尔才开始宣布将雷电3协议免费开放，这才改头换面冒出个USB 4来引导Windows PC厂商去升级，也算是换着法子催PC厂商向Mac跟进了，就目前看来，USB 4会和雷电3一样，可以在一根线上同时传输PCIe和显示数据，外加传统USB功能、100W PD供电
USB4和HDMI接口的关系解读
由于应用Thunderbolt信道技术让带宽彻底解封，未来消费者将能够靠“单条”USB 4连接线，配合菊花链进行多屏幕输出，甚至于串联其它设备，如AR、VR头戴设备等，用一个接口就让计算机具备十足的扩展性。
未来USB 4预计将只会有Type-C一种连接端口形式，配合Thunderbolt、Power Delivery、DisplayPort等各种标准，将能涵盖高速互联网、外置显卡，高画质显示器、大容量高速存储设备等，甚至让两台计算功能相互连接，而这些事情将只需要一个Type-C端口就能实现。
而这也意味着过去HDMI、DisplayPort、AC电源、3.5mm耳机孔多种连接埠同时存在于一台装置的情形，可能将从2021年起被USBType-C，以及USB4.0统一。当然，各家厂商的传输线，以及Type-C孔的传输标准要跟进到USB4，仍然需要一点时间。此外，HDMI或DisplayPort接孔即使消失，预计仍会以协议的形式，兼容于USBType-C接孔中。
USB4.0实在太强悍！外媒称未来HDMI、DisplayPort接口可能要“失业”了！
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