USB协议看这一篇就够了
USB协议简析
有一篇文章在我的草稿箱里躺了很久，叫做《行业技术思考-接口篇》，是因为看到目前的处理器出来的通信协议有那么多，但它们本质上或是在传输码流，有一些历史的原因就全都保留了下来，有些甚至越走越远，因为各自的需求发展出了不同的特性，例如支持纠错或者传输电能等。但我想这些东西是不是可以归一化，让CPU专注在自个的部分，对外只输出PCIe或者别的某种高速协议，外设再根据各自的需求来翻译或者提取数据呢？
在业界有看到两种殊途同归的趋势，第一台时间长了给忘了（很尴尬，只记得是Intel提出的一台标准），第二个就是这几天研究的USB 4了。USB 4将我的这种想法给部分实现，通过一种隧道技术的方式，将DP/USB3/PCIe信号集成到通信隧道里面去，接收端再通过数据包头来区分数据（这就有点像交换机里的数据分发，通过MAC地址或者报文帧头确定数据包目的地）。
这里先写下我认为的USB4.0的缺陷：因为硬件的局限性和可能的分发芯片性能功能问题，每个分发数据的协议速率是有各自的上限的，不能够动态调整每个接口的最大速度。不过相信在后面的技术中这一点应该可以动态调整。
历史演变
USB与I2C/SPI/UART类似，都是一种传输数据的协议规范，但USB主要设计是用于计算机与外接设备的数据交互和文件传输，这一点也正是它目前演变为相对高速的对外接口的原因，最高速的当然是PCIe。
历史就不展开讲了，基本上就是一些行业巨头联合开发的一种协议，技术角度我们先聊聊特点。
特点
USB的速度一直是跟着时代在飞速发展，并且得益于摩尔定律，最近几年USB速度也在不断翻倍提升。
USB 1.0就不提了，早已化作时代的眼泪。年轻的我都没接触过这个96年的老朋友。
USB 2.0 可能是目前最经典的接口，480Mbps的速度已经可以满足一般人的日常文件传输需求，所以这个千禧年的接口协议仍然活跃在市场上，而且并将继续活跃，服务器交换机目前或是使用USB 2.0居多。
USB 3，这里只谈USB 3.2 Gen2，因为这个是最新的。从USB 3x开始，这一协议开始展现出统治力，3x开始和type C结合，将曾经的文件传输接口增加为文件加视频传输接口，并且视频一上来就是最新的DP接口。
USB 4，这兄弟更猛，除了USB、DP，还额外增加了PCIe的功能，1 LANE支持到10Gbps，通过隧道技术来最大限度发挥物理带宽性能，这个还没有开始投向商用，应该还要一两年。
技术细节
USB 3.2
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目前已经被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 。
接口上看，USB 3.2之前大致上有两到三种插件类型，A/B/C，但从USB3.2开始，就只有type-C了，原因就是之前都是单通道模式，两组差分一发一收就可以了，但USB 3.2为了有更高的带宽，就将type-C的本来不用的另一组差分也用上了。具体来说，下图中的蓝色两个通道在USB 3.2之前正插反插都是只用到一组的，从USB 3.2开始，正差反差就都是两组全用了。
看到这里，让我们来分析下type C接口上的这些信号，在USB条件下：
| Pin Location | Pin Name | Function |
在这其中，USB 2.0数据信号4个，其实是两个，为了满足正反插需求所以正反都有；USB 3.2数据信号8个，包含两通道的差分收发信号；VBUS信号4个，GND信号4个，一共8个信号处理电源；CC信号两个；SBU信号两个。
目前来展开讲讲CC信号和SBU。
CC信号
全称Configuration Channel，分为CC1和CC2，在type C接口被引用，主要是为了解决正反插的信号交错问题和侦测插入的接口类型。
目前主要是在source端设计上拉电阻，sink端设计下拉电阻，通过不同电阻的配比来表示当前的设备类型和插入方式。具体方式比较复杂，参考type C spec里的两个截图，两个CC信号用来侦测正反插情况和设备信息。以后有机会调试CC信号再深入了解。
SBU信号
SBU信号是为USB 4.0 预留的，3.2里没有用到这个信号，不过这两个信号又在Alternate Mode（主要是DP）和Audio Adapter Accessory Mode里有使用，后面讲到这两个模式再具体分析。
信号完整性
从USB 3.1开始，码流速度就到达了5Gbps，这种速度下的信号要开始处理信号完整性的问题了，主要是插损和传输损耗，协议中对此也有规定。
此时开始引入redriver来解决信号完整性的问题。
Repeater分为两种，redriver和retimer。
Retimer，指的是这种器件包含有CDR（clock-data recovery）电路，可以重新编码信号。好处是不会为信号引入一些高频抖动。
Redriver，指的是器件使用模拟电路的方式来增强信号，不会对码流进行操作。中间会有均衡放大和发送的部分。
一台链路中能够使用的repeater个数是没有限制的，只要总体的时延和抖动能够满足要求，但一般是sink和source端各自处理自个接口上的信号质量，能满足协议规范就可以了，如果是cable厂商，可能也需要在cable中集成一到两个repeater。
USB 4.0
对于USB 4，它的Gen 2和USB 3在每个lane的速度上是暂时一样的，Gen 3 则在USB 3.2的基础上再翻倍，但数据传输的内容和方式就有很大的差别。USB 3 是在传递USB的信号，但USB 4 使用了隧道技术，类似于将USB、DP、PCIe封装到一起的技术，不过这里面三个通道各自有其带宽上限。
隧道技术
对于USB 4 来说，规定了一种可以同时传输三种通信协议的方式，但这是在芯片内部或者协议端实现的，物理层和逻辑层与所谓的通道互相独立，传输层和配置层需要针对通道方式做出改变。
作为对比，USB 3x则没有这种说法。下图是USB 3x的协议分层。
隧道技术采用了Distributed Time Management Units(TMUs)来处理每一台交换功能，网上并不能看到太多有关这个技术的细节，但从上面的分析，有理由得出一下的猜测：
- TMUs位于芯片内部或者就是纯软件，与USB 4 协议是配套使用，在物理层和传输层没有体现
- 由第一点，如果device端是USB 4，则也需要集成TMU，如果只是三种协议中的一种，就要看host端是否有向下兼容的能力（USB3和DP是必须的，PCIe目前是可选）。
再来看下图就会对USB 4的整个拓扑有更多的了解。
简单来说，USB 4 host可以直接支持USB 3x，DP，PCIe的device；也可以通过USB Hub的方式去fan out直接输出USB 4隧道信号，让Hub来分发；更可以直接插入支持USB 4 的device来一根cable传输这三个协议的信号。
看完隧道技术，再来看一下USB 4 是如何支持三种device的。
第一张图里有看到，不同的协议影响的是红圈中的设计，也即Adapter的选择；在USB 4的整个通信过程中，这些具体的协议是已经在比较上层的地方，所以对于不同协议的支持，需要做的有两点：
- 在USB 4 的block内有对应支持的协议种类的Adapter
- 在USB 4 与CPU更上层的链接中有对应的通信路径，例如PCIe需要有PCIe Switch或者链接到Root Port的Root Complex
当满足以上两点，从芯片对外提供的USB 4 interface上来看，它就可以支持所有的四种协议：USB 4，USB 3，DP，PCIe（目前只到Gen 1）,根据插入的设备类型做到向下兼容。
SBU信号
SBU在USB 4开始被引入，速度为1Mbps，有三个功能：
- 配置USB 4通道，进行初始化操作
- 和retimer进行交互，完成USB 4 Link TxFFE的握手
- 确保USB 4 通道的发送和retimer的上电或者wake up sequence的正确完成
与TMT3的兼容
Thunderbolt™ 3是Intel发布的Light Peak技术。Thunderbolt链接技术融合了PCI Express（PCI-E）数据传输技术和Display Port（DP）显示技术，可以同时对数据和视频信号进行传输。
具体细节不展开了，有一台点需要注意，当以兼容TMT3模式运行时，adapter需要在TBT3兼容的速度下运行，也即Gen 2 是10.3125Gbps，Gen 3 是20.625Gbps。
结束语
这篇有关USB 3和USB 4 的技术分析文章到此可以画一台顿号了，因为这两个协议内容实在复杂，这篇只是站在硬件和拓扑的角度初探了一下，为以后的使用打一台底子。
但几天看下来，深感USB协议本身的交错和兼容性问题，比如说USB 3 和USB 4 不同代数的命名问题，再比如USB 4 开始使用type C后与type C本身支持的一些特性的兼容问题。
USB，全称Universal Serial Bus，是一台很伟大并且巧妙统一的协议，但各个厂商在应用的时候加了很多自个的创意想法，因此就有了目前这么错综复杂的情况。
USB系列应该还有一篇，目前是站在USB通信协议的角度在看，下一篇将会站在type C这一链接器和USB power delivery的角度来再分析。 |
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