看完才懂USB丨再也不会分不清类型了

 

看完才懂USB丨再也不会分不清类型了

 

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USB从1994年的内部版本到现在的USB4经历了20多年,随着USB传输协议的不断升级,数据传输速度也是成倍的增加。大家可能对USB传输协议不太了解,所以我们先来说一下什么是USB传输协议。

 

 

上图就是我们常见的USB接口,里面有几根铜线用来传输数据,但铜线只是导电的线缆,并不能直接传输我们想要的数据。这时候就需要传输协议的帮助。这就跟我们交流是一样的,如果没有语言,仅靠一张嘴乱说一通,谁也听不懂你的意思。

 

 

在USB的数据传输协议中,芯片会根据传输的内容对USB接口里的电压进行控制,通过控制电压变化来达到传输数据的目的,比如:传输520这个数字,协议会将520转变成1000001000这样的二进制编码,然后芯片只需要通过控制电压高低,来表示0和1,就能传输数据了。

 

 

当然上面的例子只是我们最容易理解的方式,实际上USB使用的是NRZ-I(No Return Zero-Inverse)非归零反向编码方式,电压如果变化一次就表示一个“0”,电压如果没有变化就表示“1”,按照这样的规则我们就能把数据变成电信号,从而进行数据传输,这就是通信传输协议。

 

 

我们通常所说的USB2.0、USB3.0、雷电3、USB4等就是数据传输协议,它就像沟通用的语言,是我们看不见摸不着的东西。而各式各样的USB接口则是我们制造出来的真实存在的东西,由多根导线组成,用来导电作为数据传输的载体。在USB1.0 — USB2.0 时代,接口形状有很多。USB2.0协议速度还是比较慢的,当时的USB接口都是4根线的,最外面的两根负责给鼠标、键盘、手机之类的东西供电,中间两根负责传输数据。其中我们最常见的是USB Type-A、Mini-B和Micro-B。

 

 

Type-A是比较常见的接口

 

 

Mini-B出现的时候,手机还比较厚,它大多被用在早期的非智能手机和mp3上。

 

 

Micro-B又被称为Android口,它比Mini-B更小更薄,因此被广泛应用在前些年的安卓智能手机上。   

 

 

随着人们对数据传输速度要求越来越高,对充电速度要求越来越快。传统的只有4根线的接口已经不能满足人们的需求。所以在2008年经过全新设计的USB Type-A/Type-B 和Micro-B伴随着速度更快的USB3.0传输协议一起问世,这种新的接口在原来4根线的基础上新增了5根线,这样搭配USB3.0协议就能有更快的传输速度,为了与旧接口进行区分,新型接口把内部设计成了蓝色。

 

 

虽然新型接口传输速度更快,但是由于多出了5根线,所以新型的Micro-B比老接口多出了一节,变得更长,这在内部空间寸土寸金的移动设备上格外致命。因为它不仅更占用设备内部空间,而且更容易损坏,所以这么多年过去,这种接口依然没有被普及。它普遍用于对空间要求没那么高的USB3.0的移动硬盘上,而当时大部分的安卓手机依然采用之前4根线的老式Micro-B接口,同期特立独行的苹果则给iPhone搭载了新型的Lighting接口,Lighting接口有8根线,数据传输更快,还支持正反插,关键是体型还非常小,比同时期安卓手机上的Micro-B接口要强很多。安卓手机急需一种更强大更优秀的接口来挽回颜面。终于,USB Type-C接口于2014年问世。

 

 

Type-C接口共有24根线,能提供40Gbps的传输带宽,还能提供20V-5A共计100w的充电功率,外面一层金属保守壳不仅起到抗干扰的效果,而且还支持正反插,它除了比苹果的Lighting大一点点,其他各方面都要比Lighting强大。虽然Type-C这个接口非常优秀,但是俗话说好马要配好鞍,Type-C要搭配更厉害的传输协议才能发挥它全部的实力。

 

 

由于Type-C接口非常强,所以它支持多种协议,比如雷电3协议以及传统的USB2.0、USB3.0协议,还有用于快速充电的QC协议、PD协议,以及连接显示器用的HDMI协议、DP协议等,因此可以说Type-C是一种万能的接口。

话到这里就不得不说一下雷电3协议了!雷电3协议是Intel和苹果公司共同研发,支持40Gbps带宽和100w的供电功率。它能做的事情非常多,比如同时接2台4K 60Hz的显示器,搭配雷电3扩展坞,一个小小的雷电3接口就能同时接网线、显示器、鼠标键盘、耳机、U盘、移动硬盘、内存卡等等,搭配显卡扩展坞还能外接高端显卡。

 

 

2019年9月,USB Promoter Group 发布了 USB4 规范标准,这标志着USB传输行业进入一个新的高度。USB4协议的大部分内容来源于雷电3协议,通过用户友好的、健壮的线缆和连接解决方案,提供结合数据、显示和电力传输的最佳用户体验,下面我们一起看看USB4带来了哪些不一样的表现。

 

 

USB4新功能三大重点

 

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01

 USB4 只采用USB Type-C接口,USB4信号采双通道传输,传输速度最快支援40G (20Gbps x2);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USB4。

 

02

USB4可同时支持数据传输和DisplayPort 影音传输协议,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。

 

03

USB4向下兼容USB 2.0 、USB 3.2和Thunderbolt 3。

 

 

USB4重点架构

 

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USB4 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)。

 

◇ 01

路由器是USB4 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,并通过TMU来时间同步。主要由USB Host 内建的Connection Manager 来侦测及管理。

 

02

适配器内建在路由器里,主要作为路由器与外部元件沟通的媒介,进行协议转换。例如USB4 Host在传输USB3 资料,由内部USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协定封装成USB4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。

 

03

TMU 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。

 

 

USB4产品类型

 

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01

USB4 Host:产品有一个以上DFP,没有任何的UFP。

 

02

USB4 Hub:产品有一个UFP,并且有一个或多个DFP。

 

03

USB4-Based Dock:产品有一个UFP,并且有一个或多个DFP,且产品内还有其他元件的功能,如储存装置或网络功能。

 

04

USB4 Device: 产品有一个UFP,没有任何的DFP。

 

DFP

UFP DRP

Downstream 

Facing Port

下行端口,可以理解为Host,DFP提供VBUS,可以提供数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输,笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。典型的DFP设备是电源适配器。

Upstream 

Facing Port

上行端口,可以理解为Device,UFP从VBUS中取电,并可提供数据。典型设备是U盘,移动硬盘。

Dual Role 

Port

双角色端口,DRP既可以做DFP(Host),也能做UFP/Device,也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

USB4支持的隧道协议

 

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依据规格,对Host/ Hub/Dock/Device 必须支援的隧道协议各自有不同要求,如下图,标“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USB3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling,可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。

 

 

USB4支援的传输速率

 

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USB4 能支援20Gbps 以及40Gbps 的速度,是不是宣告支援USB4 就一定要支援这两个速度?

对USB4 Hub 与USB4-Based Dock 来说,必须同时支援20Gbps 及40Gbps。

对USB4 Host 与USB4 Device 来说,可以只支援20Gbps(40Gbps 可列为额外支援,非必要支援速度)。

 

 

综合上面的介绍,可以知道USB4 传输速率提升到40 Gbps,并且可以动态分享频宽,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,对于消费者来说更加便利。但对于产品开发者来说,USB4 是一个比较大的挑战,除了产品设计和以往USB3 的产品在架构上的差异,加上高频信号在PCB 及连接器上的衰减,须更关注高频阻抗匹配,在开发阶段确保传输的信号品质。