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USB接口详细读解, USB4标准与Gen1和Gen2,Gen3的区别

2021-11-08 13:17:31 admin 30

上周五,GRL协助JCE成功取得全球最长的USB4Gen3线缆认证的消息刷爆朋友圈(GRL协助JCE成功取得全球最长的USB4™ Gen3线缆认证),对于USB4大家应该都不陌生,这是当下话题量最高的USB接口标准,USB接口在经历了USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1以及USB3.2之后(USB的前世今生 - USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2、USB4.0区别是什么),迎来了当下USB4 ,这些标准的新旧交替下,USB接口的传输速率一直在提高,跟随着传输速率提高的还有接口标准的命名复杂程度,就拿USB3.1来说,居然还分为USB3.1 Gen1和USB3.1 Gen2,这就让许多消费者不理解且容易混淆。大家估计都会有这样的疑问:都是USB标准的接口,为什么还要这样分,USB3.1 Gen1与Gen2到底有什么区别?现在USB4又有一个Gen3线缆,今天我们一起来科普下,USB4标准与Gen1和Gen2,Gen3的区别。

在介绍USB4之前就不得不提一下Intel和苹果公司合作推出的雷电协议。雷电协议是组合协议,整合了DisplayPort协议(简称DP)和PCI-Express协议(简称PCIe)而成。先后推出了雷电1和雷电2协议,但都反响平平。后来推出了雷电3协议(Thunderbolt 3,简称TBT3),传输速度达到了40Gbps,后来Intel选择将协议交给了USB-IF协会。2019年,USB-IF在USB 3.2的基础上整合了雷电3协议(简称TBT3),推出了USB4 Gen 2x2和USB4 Gen 3x2。这次改名和以往不同的是依然保留了USB 3.2的名字。USB4就是在原先USB 3.2传输速度基础上进行了倍增,达到了40Gbps,也就是USB4 Gen 3x2的速度。USB4同时支持USB 3.2和TBT3的传输。总之,USB4=USB 3.2+TBT3。USB4和USB 3.2一样,也有单通道模式和双通道模式,USB4接口和USB 3.2接口一样,都支持搭载USB PD快充协议。

一句话概括: Gen指传输速率, Gen2的理论传输速率是10Gbps, 而Gen1是5Gbps, USB3.2 Gen2x2则是20Gbps,USB4 Gen3x2则是40Gbps,

USB是一种传输数据的协议规范,也是一种接口技术规范。1996年由美国的Intel、微软、康柏、DEC和IBM,日本的NEC,加拿大的北方电信公司等七家业界巨头组成的非盈利组织USB标准化组织(USB Implement Forum,简称USB-IF)推出了USB 1.0,之后推出了速度更快的USB 1.1和USB 2.0。2008年,由Intel,苹果,惠普,微软,瑞萨电子,意法半导体和德州仪器等组成的USB 3.0 Promoter Group行业技术联盟发布了USB 3.0,然后转移给了USB-IF来管理和维护。2013年到2019年之间,Intel等大公司联合的USB 3.0 Promoter Group相继推出了USB 3.1、USB 3.2和USB4协议规范,在USB-IF官网上发布和更新。

从USB的演变图中可以看出,USB从最开始推出的USB 1.0到USB4共经历了24年。最明显的改进就是带宽的增加,在USB 2.0及之前主要支持低速(1.5Mbps)、高速(12Mbps)和全速(480Mbps)。到了USB 3.0开始进入超速模式,而且每升级一次,带宽就翻倍,从最开始的5Gbps到了现在的40Gbps。

USB接口按照规范分为USB1.0、USB 1.1、USB2.0、USB 3.0。我们经常说的USB2.0接口和USB 3.0接口就是按照USB规范来分类的。2013年USB 3.0改名为USB 3.1 Gen 1,同时推出了10Gbps带宽的USB 3.1 Gen 2,两者统称为USB 3.1。到了2017年,USB 3.1 Gen 1和USB 3.1 Gen 2分别改名为USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2。同时加入了带宽为10Gbps的USB 3.2 Gen 1x2和带宽为20Gbps的USB 3.2 Gen 2x2,这4个统称USB 3.2。至此进入了USB 3.2时代,而USB 3.0的名字已经成为历史。总之,USB 2.0还保留着,而USB 3.0现在已经被USB-IF协会改名为USB 3.2 Gen 1了,而且还多了USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2。其中USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2表示USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2的双通道模式,而USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2是单通道模式。

USB 3.1和USB 3.2都是为了提升带宽而推出的,USB4的设计目标仍然保持不变。不过这一规范的发布同样是为了整合USB Type-C生态以及减少终端用户的困惑。新的USB4标准虽然推出了新的底层协议,但仍可以与现有的USB3.2、USB2.0以及Thunderbolt 3兼容。USB4将采用双路双单工的架构,加倍了Type-C的传输带宽,传输速率至少要达到20Gbps,可选40Gbps,最大传输速率是上一代USB 3.2的两倍,对认证的接口和线缆也将提供两种不同的Logo(英特尔宣布USB4接口连接器,分成两版本)。对于40Gbps的USB4,其编码方式依然是USB 3.2所用的128b/132b,而20Gbps将采用64b/66b,即40Gbps的USB4每传输128个Bit,需要发送130个Bit,那么,USB4协议的每一条Lane支持8 * 128 / 130 = 7.877 Gbps = 984.6 MB/s 的速率,一条USB4x2的通道(USB4 Gen 3 x 2是全双工,双通道传输数据的,每个通道同时发送和接收数据),x2的可用带宽为7.877*2 = 15.754 Gbps = 15.754 GB/s,双向带宽高达31.5GB/s,编码方式决定带宽及传输速度。

对于USB来说,每一个通道有两个差分对,一个用于发送,一个用于接收。PCIe也一样是全双工通信,会同时发送和接收数据,通道的定义也符合这一点。下图为USB Type-C母座,共有两个通道,即高速通道0和高速通道1,我们称之为Lane 0 Adapter和Lane 1 Adapter。即通道0适配器和通道1适配器 。这里的适配器可以当做信号转换器来理解。USB是全双工通信,每一个通道有两个差分对,一个用于发送,一个用于接收。即差分对TX1+和TX1-用于发送数据,差分对RX2+和RX2-用于接收数据,两个差分对组成高速通道0,即Lane 0 Adapter。同理,差分对RX2+和RX2-用于接收数据,差分对TX2+和TX2-用于发送数据,两个差分对组成高速通道1,即Lane 1 Adapter。与Lane 0 Adapter和Lane 0 Adapter相连的通道称为Lane 0和Lane 1。单通道模式就是只有lane 0和lane 1其中之一来传输USB数据,另一个用作其他用途。比如USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2,都是通过单通道来传输数据的。其中USB 3.2 Gen 1的传输速度为5Gbps,因为单通道是发送和接收同时进行,所以传输速度指的是发送或者接收中的一个的速度。就拿lane 0来说,有TX1+、TX1-和RX2+、RX2-这两个差分对,lane 0的传输速度指的就是TX1+、TX1-差分通道的速度为5Gbps,或者说是RX2+、RX2-差分通道的速度为5Gbps,用lane 1的传输数据时,速度同理。USB 3.2 Gen 2的传输速度为10Gbps,在USB 3.2 Gen 1基础上翻倍了,其实就是说USB 3.2 Gen 2通过lane 0的发送或者接收的差分通道传输速度翻倍为10Gbps,同理用lane 1传输数据时,发送或者接收的差分通道传输速度也是10Gbps。

双通道模式就是lane 0和lane 1都用来传输USB数据。比如USB 3.2的USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2,USB4的USB4 Gen2x2和USB4 Gen3x2,都是通过双通道来传输数据的。如何判断是单通道模式,还是双通道模式?“Gen”后面数字如果带有“x2”字样就表示双通道模式,如果没有“x2”字样或者写的是"x1"字样,就表示单通道模式。同一个USB版本规范,双通道模式传输速度是单通道传输速度的2倍。比如USB 3.2 Gen 1x2的传输速度是USB 3.2 Gen 1传输速度的两倍,因为USB 3.2 Gen 1传输数据只用了一个5Gps的通道 ,而USB 3.2 Gen 1x2传输数据用了两个5Gps的通道,所以传输速度就变为了10Gbps。单通道传输的USB 3.2 Gen 2 的传输速度是在同样单通道传输的USB 3.2 Gen 1(5Gbps)基础上翻倍了,变成了10Gbps,同理,双通道传输的USB 3.2 Gen 2x2的传输速度自然就变成了USB 3.2 Gen 2的2倍,即20Gbps。USB4的USB4 Gen2x2是双通道传输,维持了USB 3.2 Gen 2x2同样的传输速度20Gbps。USB4的USB4 Gen3x2也是双通道传输,在USB4 Gen2x2基础上翻倍,变成了40Gbps。上面提到过,从USB 3.2开始就只支持USB Type-C接口,而不再支持Type-A和Type-B接口了。这是为什么呢?因为从USB 3.2开始定义了USB数据传输的双通道模式,即两组差分对用来发送,两组差分对用来接收,需要4组差分对,只有USB Type-C接口能提供4组差分线。单通道模式是一组差分对用来发送,一组差分对用来接收。Type-A和Type-B接口只能提供2对差分线,只适用于单通道模式。总之,因为引入了双通道传输USB数据的模式,所以使得USB 3.2及之后的USB4都只能支持USB Type-C接口。

USB接口按照型号分为Type-A,Type-B和Type-C三种。Standard-A属于Type-A,Micro-B属于Type-B,USB 3.1接口及之前,除了Type-C,还有Type-A和Type-Micro B;Type-MINI B等几种型号,而到了USB 3.2接口就只支持Type-C了。是因为过去的连接器如USB Type-A 或Micro-B,仅支援单通道传输,无法支援USB3.2及USB4。USB 传输速度最快支援40G (20Gbps x2),并可同时传送。

JCE此次1.2米线缆能取得USB4 Gen3 Full-Featured USB-CCable(USB4 40Gbps)认证,彰显JCE的实力,特別是1.2米线缆,更是突破了USB-IF规范所建议极限长度,再一次充分表明JCE在线缆行业的标杆地位,同时也可以看出业界大厂对USB4未来市场的信心,USB4未来可期!



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