目錄

• 簡介
• USB4 的誕生
• USB4的帶寬分配
• USB4的應用
• USB4和USB 3.2的差異
• • DisplayaPort通道的定義
• USB 3.2數據傳輸
• USB4的數據傳輸
• USB 3.2和USB4的對比
• USB編碼方式科普
• 參考文獻

簡介

在了解USB4和USB 3.2之前，需要先梳理一下USB的發展歷程。

USB是一種傳輸數據的協議規范，也是一種接口技術規范。1996年由美國的Intel、微軟、康柏、DEC和IBM，日本的NEC，加拿大的北方電信公司等七家業界巨頭組成的非盈利組織USB標準化組織（USB Implement Forum，簡稱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，蘋果，惠普，微軟，瑞薩電子，意法半導體和德州儀器等組成的USB 3.0 Promoter Group行業技術聯盟發布了USB 3.0，然后轉移給了USB-IF來管理和維護。2013年到2019年之間，Intel等大公司聯合的USB 3.0 Promoter Group相繼推出了USB 3.1、USB 3.2和USB4協議規范，在USB-IF官網上發布和更新。
從USB的演變圖中可以看出，USB從最開始推出的USB 1.0到USB4共經歷了24年。最明顯的改進就是帶寬的增加，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開始進入超速模式，而且每升級一次，帶寬就翻倍，從最開始的5Gbps到了現在的40Gbps。

USB接口按照規范分為USB1.0、USB 1.1、USB2.0、USB 3.0。我們經常說的USB2.0接口和USB 3.0接口就是按照USB規范來分類的。2013年USB 3.0改名為USB 3.1 Gen 1，同時推出了10Gbps帶寬的USB 3.1 Gen 2，兩者統稱為USB 3.1。到了2017年，USB 3.1 Gen 1和USB 3.1 Gen 2分別改名為USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2。同時加入了帶寬為10Gbps的USB 3.2 Gen 1x2和帶寬為20Gbps的USB 3.2 Gen 2x2，這4個統稱USB 3.2。至此進入了USB 3.2時代，而USB 3.0的名字已經成為歷史?？傊?#xff0c;USB 2.0還保留著，而USB 3.0現在已經被USB-IF協會改名為USB 3.2 Gen 1了，而且還多了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的雙通道模式，而USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2是單通道模式。單通道和雙通道是什么意思呢？說明之前，來看下面的圖。

USB接口按照型號分為Type-A，Type-B和Type-C三種。Standard-A屬于Type-A，Micro-B屬于Type-B。從上圖看出，USB 3.1接口及之前，除了Type-C，還有Type-A和Type-B這兩種型號，而到了USB 3.2接口就只支持Type-C了。這就與USB接口的單通道模式和雙通道有關，下面進行介紹。

上圖為USB Type-C母座，共有兩個通道，即高速通道0和高速通道1，我們稱之為Lane 0 Adapter和Lane 1 Adapter。即通道0適配器和通道1適配器 。這里的適配器可以當做信號轉換器來理解。USB是全雙工通信，每一個通道有兩個差分對，一個用于發送，一個用于接收。即差分對TX1+和TX1-用于發送數據，差分對RX2+和RX2-用于接收數據，兩個差分對組成高速通道0，即Lane 0 Adapter。同理，差分對RX2+和RX2-用于接收數據，差分對TX2+和TX2-用于發送數據，兩個差分對組成高速通道1，即Lane 1 Adapter。與Lane 0 Adapter和Lane 0 Adapter相連的通道稱為Lane 0和Lane 1。

單通道模式就是只有lane 0和lane 1其中之一來傳輸USB數據，另一個用作其他用途。比如USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2，都是通過單通道來傳輸數據的。其中USB 3.2 Gen 1的傳輸速度為5Gbps，因為單通道是發送和接收同時進行，所以傳輸速度指的是發送或者接收中的一個的速度。就拿lane 0來說，有TX1+、TX1-和RX1+、RX1-這兩個差分對，lane 0的傳輸速度指的就是TX1+、TX1-差分通道的速度為5Gbps，或者說是RX1+、RX1-差分通道的速度為5Gbps，用lane 1的傳輸數據時，速度同理。USB 3.2 Gen 2的傳輸速度為10Gbps，在USB 3.2 Gen 1基礎上翻倍了，其實就是說USB 3.2 Gen 2通過lane 0的發送或者接收的差分通道傳輸速度翻倍為10Gbps，同理用lane 1傳輸數據時，發送或者接收的差分通道傳輸速度也是10Gbps。

雙通道模式就是lane 0和lane 1都用來傳輸USB數據。比如USB 3.2的USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2，USB4的USB4 Gen2x2和USB4 Gen3x2，都是通過雙通道來傳輸數據的。如何判斷是單通道模式，還是雙通道模式？“Gen”后面數字如果帶有“x2”字樣就表示雙通道模式，如果沒有“x2”字樣或者寫的是"x1"字樣，就表示單通道模式。同一個USB版本規范，雙通道模式傳輸速度是單通道傳輸速度的2倍。比如USB 3.2 Gen 1x2的傳輸速度是USB 3.2 Gen 1傳輸速度的兩倍，因為USB 3.2 Gen 1傳輸數據只用了一個5Gps的通道 ，而USB 3.2 Gen 1x2傳輸數據用了兩個5Gps的通道，所以傳輸速度就變為了10Gbps。單通道傳輸的USB 3.2 Gen 2 的傳輸速度是在同樣單通道傳輸的USB 3.2 Gen 1(5Gbps)基礎上翻倍了，變成了10Gbps，同理，雙通道傳輸的USB 3.2 Gen 2x2的傳輸速度自然就變成了USB 3.2 Gen 2的2倍，即20Gbps。

USB4的USB4 Gen2x2是雙通道傳輸，維持了USB 3.2 Gen 2x2同樣的傳輸速度20Gbps。USB4的USB4 Gen3x2也是雙通道傳輸，在USB4 Gen2x2基礎上翻倍，變成了40Gbps。上面提到過，從USB 3.2開始就只支持USB Type-C接口，而不再支持Type-A和Type-B接口了。這是為什么呢？因為從USB 3.2開始定義了USB數據傳輸的雙通道模式，即兩組差分對用來發送，兩組差分對用來接收，需要4組差分對，只有USB Type-C接口能提供4組差分線。單通道模式是一組差分對用來發送，一組差分對用來接收。Type-A和Type-B接口只能提供2對差分線，只適用于單通道模式?？傊?#xff0c;因為引入了雙通道傳輸USB數據的模式，所以使得USB 3.2及之后的USB4都只能支持USB Type-C接口。

USB4 的誕生

在介紹USB4之前就不得不提一下Intel和蘋果公司合作推出的雷電協議。雷電協議是組合協議，整合了DisplayPort協議(簡稱DP)和PCI-Express協議(簡稱PCIe)而成。先后推出了雷電1和雷電2協議，但都反響平平。后來推出了雷電3協議（Thunderbolt 3，簡稱TBT3），傳輸速度達到了40Gbps。Intel這次選擇將協議交給了USB-IF協會。2019年，USB-IF在USB 3.2的基礎上整合了雷電3協議（簡稱TBT3），推出了USB4 Gen 2x2和USB4 Gen 3x2。USB4就是在原先USB 3.2傳輸速度基礎上進行了倍增，達到了40Gbps，也就是USB4 Gen 3x2的速度。USB4同時支持USB 3.2和TBT3的傳輸?？傊?#xff0c;USB4=USB 3.2+TBT3。USB4和USB 3.2一樣，也有單通道模式和雙通道模式。USB4接口和USB 3.2接口一樣，都支持搭載USB PD快充協議。

USB4的帶寬分配

USB4整合了多個協議，可以同時支持更多設備，其中就涉及到帶寬的分配，從下圖可以看出USB4最多分配22Gbps的帶寬用于數據傳輸，最少18G的帶寬用于支持顯示。
可以連接一個分辨率為5120x2880(5k)，刷新率60Hz，色深30bit的顯示器，剩下18Gbps的帶寬用于傳輸數據；也可以連接兩個分辨率4096x2160(4k)，刷新率60Hz，色深30bit的視頻，剩下8Gbps的帶寬用于傳輸數據。

上面的圖片來自英特爾的雷電3官網。

USB4的應用

USB4的應用如下:
1、USB4如果只傳輸USB 3.2數據，可以占用20Gbps帶寬。如果接支持USB 3.2 Gen 2x2的移動硬盤，速度明顯會比我們過去用的USB 3.0快很多。
2、USB4可以輸出高清視頻和數據，比如可以接雙4k 60Hz顯示器或單個5k 60Hz顯示器，還因為支持PCIe協議，可以外接顯卡、固態硬盤，擴展塢等。
3、USB4高速通道如果只傳輸視頻，可以占用80Gbps的帶寬，支持到DP 2.0?？梢赃M行8k 60Hz分辨率，30bit顏色深度的高清顯示。
4、USB4支持USB PD快充。

USB4和USB 3.2的差異

在說明USB4與USB 3.2的差異之前，有必要說明一下DisplayPort通道的定義，和USB通道的定義有所區別，兩者不能混淆。下面介紹DisplayPort通道的定義。

DisplayaPort通道的定義

前面提到對于USB來說，每一個通道有兩個差分對，一個用于發送，一個用于接收。PCIe也一樣是全雙工通信，會同時發送和接收數據，通道的定義也符合這一點。

**DisplayaPort傳輸視頻對于通道的定義與USB不一樣，對于主機來說，因為它只有發送，沒有接收，所以每一個通道就是一個差分對。**本文為了區分DisplayPort與USB關于通道描述，防止兩者混淆，在描述DisplayPort通道時，后面加上括號標注是DP,如2 Lane(DP)。如下圖所示，DisplayPort在USB Type-C接口定義上有2 lane(DP)和4 lane(DP)兩種情況。

2 lane DP+USB 3.2

上圖是2 lane(DP)的定義，對于DisplayPort來說，差分對RX2+和RX2-與差分對TX2+和TX2-都是用來發送視頻數據的，這點與USB數據的傳輸不同，所以差分對RX2+和RX2-與差分對TX2+和TX2-分別叫做lane 0(DP)和lane 1(DP)。剩下的差分對TX1+和TX1-與差分對RX1+和RX1-分別用作USB 3.2的發送和接收，稱為USB的通道。

4 lane DP

上圖是4 lane(DP)的定義，對于DisplayPort來說，差分對RX2+和RX2-與差分對TX2+和TX2-以及差分對TX1+和TX1-與差分對RX1+和RX1-都是用來發送視頻數據的，所以它們分別叫做lane 0(DP)、lane 1(DP)、lane 2(DP)和lane3(DP)。

總之，造成DisplayPort通道的定義和USB以及PCIe對于通道的定義的不相同是有原因的。就是DisplayPort的傳輸只有一個方向，對于視頻源來說是發送，對于顯示器來說是接收，所以一個差分對就是一個通道。而USB和PCIe是雙向的，既有發送，也有接收，所以一個發送的差分對和一個接收的差分對組成一個通道。
接下來說USB4和USB 3.2的數據傳輸。

USB 3.2數據傳輸

現在介紹USB 3.2數據傳輸方式。USB 3.2的傳輸模式有兩種：
1、USB 3.2數據和2 Lane(DP)的DP 1.4視頻數據同時傳輸；
2、4 Lane(DP)的DP 1.4視頻數據傳輸。

如圖，Lane 0 Adapter通道用于傳輸USB 3.2數據，速度可以選擇5Gbps和10Gbps兩種。Lane 1 Adapter用于傳輸2 Lane(DP)的DP 1.4視頻數據，可以傳輸4K 60Hz 30位色深的視頻，由于另外2 Lane(DP)用于USB傳輸，所以這個視頻分辨率還不是DP 1.4的最高分辨率。

如圖，Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于傳輸4 Lane(DP)的DP 1.4視頻數據，可以傳輸的4K 120Hz 30位色深的視頻。

USB4的數據傳輸

USB4的傳輸模式也有兩種：
1、USB4雙通道傳輸USB 3.2、DP 1.4和PCIe 3.0數據；
2、USB4的雷電3(簡稱TBT3)模式。

USB4 雙通道傳輸數據（設備端黃色 LANE 0 實際為 LANE 1）

如圖，USB4中Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于傳輸USB 3.2數據，可以選擇5Gbps和10Gbps。同時還傳輸DP 1.4和PCIe 3.0數據。

USB4 的TBT3模式 （設備端黃色 LANE 0 實際為 LANE 1）

如圖，是USB4中的雷電3模式(簡稱TBT3)，Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于同時傳輸DP 1.2和PCIe 3.0數據。

下面看一下USB 3.2和USB4的差異對比。

USB 3.2 和 USB4的差別

USB 3.2和USB4的對比

1、傳輸帶寬：USB 3.2最大是20Gbps，而USB4最大是40Gbps。
2、傳輸協議：USB 3.2主要通過USB協議傳輸數據，或者通過DP Alt Mode(替代模式)來配置USB和DP。而USB4通過隧道技術將USB 3.2，DP和PCIe協議封裝成數據包，同時發送。
3、DP的傳輸：都能支持DP 1.4。USB 3.2通過DP Alt Mode(替代模式)來配置輸出；而USB4除了可以通過DP Alt Mode(替代模式)來配置輸出，還可以通過USB4隧道協議數據包來提取出DP數據。
4、PCIe的傳輸：USB 3.2不支持PCIe，USB4才支持。通過USB4隧道協議數據包來提取出PCIe數據。
5、TBT3的傳輸：USB 3.2不支持，USB4是支持的，就是通過USB4隧道協議數據包來提取PCIe和DP數據。
6、Host to Host：主機和主機之間通信，USB3.2不支持，USB4支持。主要是USB4支持PCIe協議才能支持這個功能。
注:隧道技術可以看作是將不同協議的數據整合到一起的技術 ，通過數據包頭來區分類型。

USB 3.2中，傳輸DisplayPort視頻和USB 3.2數據是在不同的通道適配器傳輸的，而在USB4中，DisplayPort視頻、USB 3.2數據和PCIe數據是可以在同一個通道傳輸的，這是兩者最大的差異?？梢钥聪聢D來加深理解。

上面的圖片來自英特爾的雷電3官網。

USB4通道可以想象成可以通行各種類型車輛的車道，USB數據，DP數據和PCIe數據想象成不同的車。同一個車道有不同的車排成隊在有序行駛，USB4同一個通道傳輸不同類型的數據也是這個原理。

USB3.2，DP和PCIe數據先匯聚在一起，通過同一個通道發送出去，到對方的設備，然后再分離出3種不同類型的數據來。

USB編碼方式科普

USB 3.1和USB 3.2都是為了提升帶寬而推出的，USB4的設計目標仍然保持不變。不過這一規范的發布同樣是為了整合USB Type-C生態以及減少終端用戶的困惑。新的USB4標準雖然推出了新的底層協議，但仍可以與現有的USB3.2、USB2.0以及Thunderbolt 3兼容。

USB4將采用雙路雙單工的架構，加倍了Type-C的傳輸帶寬，傳輸速率至少要達到20Gbps，可選40Gbps，最大傳輸速率是上一代USB 3.2的兩倍，對認證的接口和線纜也將提供兩種不同的Logo（英特爾宣布USB4接口連接器，分成兩版本）。

對于40Gbps的USB4，其編碼方式依然是USB 3.2所用的128b/130b，而20Gbps將采用64b/66b

即40Gbps的USB4每傳輸128個Bit，需要發送130個Bit，那么，USB4協議的每一條Lane支持8 * 128 / 130 = 7.877 Gbps = 984.6 MB/s 的速率，一條USB4x2的通道(USB4 Gen 3 x 2是全雙工，雙通道傳輸數據的，每個通道同時發送和接收數據),x2的可用帶寬為7.877*2 = 15.754 Gbps = 15.754 GB/s，雙向帶寬高達31.5GB/s,編碼方式決定帶寬及傳輸速度。

參考文獻

文獻1.

文獻2.

文獻3.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的USB4 来了（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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