USB4规范解读（六）：USB4系统结构的架构之主要特性

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本文详细解读USB4系统结构，重点介绍了其七大主要特性，包括高吞吐量信令速率、逐跳流量控制、带宽管理与优先级、编程模型、时间同步协议、错误检测与恢复以及链路级电源管理。USB4规范整合了雷电3协议，支持USB Type-C接口，确保高速数据传输和多协议兼容。

USB4规范就是在USB 3.2规范的基础上，引入了雷电3协议规范。而雷电3协议就是DP(全名称为DisplayPort)视频协议和PCIe数据协议的结合。USB4系统结构组成为USB4主机和USB4设备，而USB4设备有USB4集线器和USB4外部设备两种。USB4系统结构支持传输高速的数据，那么需要满足哪些要求呢？本文就来讲解USB4系统结构的架构的主要特性。

上图为USB4概念图，不是实际的USB4产品。USB4数据只支持USB Type-C接口，在USB4系统结构中传输。USB4系统结构旨在满足多种协议传输的需求，总共可以抽象出7种主要特性，下面逐一介绍这7种主要特性。

USB4系统结构的特性

一、支持高吞吐量互连的信令速率

10 Gbps（适用于第二代，即USB4 Gen 2）和20 Gbps（适用于第三代，即USB4 Gen 3）。
可选支持10.3125 Gbps的雷电3兼容速率（适用于第二代，即USB4 Gen 2）和20.625 Gbps（适用于第3代，即USB4 Gen 3）。40Gbps的速率是USB4 Gen 3x2，即两个通道传输。

1.1、吞吐量

互连的USB4端口单位时间内成功传输数据的数量。高吞吐量指的是传输数据量很大。

1.2、信令

信号传输时，其中一部分是需要传输的数据，另外一部分是用来专门控制电路的，用于控制的信号就是信令。此处的“信令”一词指的是信令控制传输数据的过程。

二、逐跳，基于信用的流量控制。

2.1、逐跳

逐跳，指的是一跳一跳(Hop-by-Hop)数据包转发机制。下面用USB4主机、USB4集线器和USB4功能设备之间传递数据包来说明这种机制。数据包的传输依靠路由器，路由器分为主机路由器和设备路由器两种。USB4主机的路由器叫作主机路由器，USB4集线器和USB4外部设备的路由器叫作设备路由器。路由器和外部接口之间的数据转换依靠适配器来完成。

在USB4主机中，连接管理器控制主机路由器，将数据包传递给USB4集线器的设备路由器。这个时候，USB4集线器是不知道数据包应该如何处理的。需要告知连接管理器，由连接管理器指定转发的路径。有了这个过程，USB4集线器才会将数据包传递给USB4外部设备。

多个路由器之间传输数据就是重复以上的过程。每两个相邻的路由器之间的传输都需要通过USB4主机的连接管理器来指定，才能传输。一个路由器就是一个跳跃点，多个路由器传输数据包就是从一个跳跃点到另一个跳跃点，这就是一跳一跳的由来。

传输的每个数据包都带有一个标识符（称为HopID），该标识符在给定链路的连接关系中标识路径。HopID由连接管理器配置，并且可以在路径中的每个链路之间变化。路由器收到数据包时，会使用HopID来确定数据包的下一个HopID以及将数据包转发到哪个适配器。

2.2.、信用值

信用值用于跟踪适配器可以接收的传输层数据包的数量。信用值1对应1个传输层数据包的最大数量。例如，如果一个适配器广播信用值3，则它的缓冲区空间可以接收数量最多为3的传输层数据包（即使它收到的实际传输层数据包可能小于最大数量）。

2.3、流量控制

我们希望数据的传输越快越好，但如果发送方发送的数据太快，接收方可能就来不及接收，从而造成数据的丢失。流量控制就是让发送方的发送速度不要太快，要让接收方来得及接收。

三、带宽管理和优先级

路由器应启用给定路径的带宽仲裁。每个出口适配器都包含一个可配置的流量管理器，该管理器对通过该适配器的所有路径进行带宽仲裁和优先级划分。流量管理器的配置是路径设置的一部分。

带宽仲裁就是处理USB 3.2，DisplayPort，PCIe这些数据占用的带宽的分配问题。

路径配置空间中的“优先级”字段对于路由器是整个传输过程都有效的。它可用于确定入口适配器中的队列之间，不同入口适配器之间，不同出口适配器之间以及每个出口适配器中的队列之间的优先级。

队列：一种存储数据的结构，类似于排队。只允许在队伍的头部进行删除操作，尾部进行增加操作。

数据输入的适配器称为入口适配器，数据输出的适配器称为出口适配器。

四、一种编程模型，允许连接管理器以对隧道协议及其软件透明的方式初始化和管理USB4域

域指的是由单个连接管理器控制的互连的路由器的组合。隧道协议是将不同的数据(如USB 3.2、DisplayPort和PCIe)封装到一起的一种协议。

编程模块包含以下内容：

4.1、连接管理器

连接管理器是负责管理和配置域的实体。连接管理器使用控制数据包与域中的路由器通信。

连接管理器在域中执行以下配置任务：

路由器初始化
扫描和设置适配器配置
设置和删除路径
在USB4系统结构中配置QoS行为，包括流量控制和带宽分配
跨域管理

什么叫QoS?

QoS(Quality of Service)的意思是服务质量，是解决数据传输丢失数据包，延迟，出错问题的一种安全机制。包括流量控制，带宽分配，信用值追踪等。

4.2、配置空间

路由器通过驻留在四个配置空间之一中的配置寄存器进行配置：

路由器配置空间–包含路由器级别的配置参数。每个路由器都有一个路由器配置空间。
适配器配置空间–包含适配器的功能，配置和错误统计信息。协议适配器和通道适配器具有适配器配置空间。控制适配器没有适配器配置空间。
路径配置空间–包含用于路径设置的信息。协议适配器和通道适配器具有路径配置空间。控制适配器没有路径配置空间。路径配置空间包括每个受支持路径的条目。
计数器配置空间–包含一组选定路径的性能统计信息。计数器配置空间是可选的。协议适配器和通道适配器可以有一个计数器配置空间。控制适配器没有计数器配置空间。

寄存器是存储数据和指令的一种结构。

4.3、操作

路由器支持接口，该接口允许连接管理器启动各种操作。有两种类型的操作：路由器操作和端口操作。

4.3.1、路由器操作

路由器操作会启动整个路由器范围的任务，例如NVM(非易失存储器)读与写和DisplayPort资源管理。通过写入路由器配置空间来启动路由器操作。

4.3.2、端口操作

端口操作可用于执行以下操作：

启动对路由器，链接伙伴的边带数据通道寄存器空间的读取或写入操作，或者在路由器与其链接伙伴之间的链路中启动重定时器。
启动端口级别的任务，例如合规性测试和接收器通道裕度测试。

通过在适配器配置空间中写入端口功能来启动端口操作。

其中，裕度指的是留有一定余地的程度，允许有一定的误差。

五、一种时间同步协议，用于跨一个或多个USB4域同步实时时钟

时间同步协议提供了一种机制，可以使连接的路由器的实时时钟和绝对时间高度精确地同步。实时时钟被组织到主从同步层次结构中，时钟位于层次结构的顶部，确定整个机制的参考时间。下图是主机路由器和其他路由器之间的传输，"M"为Master，表示主，“S”为Slave，表示从。黑色矩形表示适配器。

六、错误检测，更正和恢复

检查错误和纠正的机制使得数据能够准确传输。

七、链路级电源管理

USB4只支持USB Type-C接口，VBUS和GND分别为电源和接地引脚。USB Type-C插座有CC1和CC2两个管脚，用于USB PD快充协议沟通。USB Type-C插头只有一个CC1和VCONN，只有用于USB PD快充协议沟通，VCONN用于给带标记的线缆供电，读取线缆信息，确认带载电流等。USB PD协议还包含了对USB4数据的配置和选择。

总之，USB4系统结构的主要特性总结如下：