USB4是什么？与USB 3.2有什么差异？

在了解USB4和USB 3.2之前，需要先梳理一下USB的发展历程。

USB的演变

USB的演变

                                                                          

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。单通道和双通道是什么意思呢？说明之前，来看下面的图。

 

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。从上图看出，USB 3.1接口及之前，除了Type-C，还有Type-A和Type-B这两种型号，而到了USB 3.2接口就只支持Type-C了。这就与USB接口的单通道模式和双通道有关，下面进行介绍。

USB Type-C母座

                                                                 

上图为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 。这里的适配器可以看成是信号转换器。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

单通道传输USB 数据

                                                                  

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

双通道传输USB数据

                                                                            

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。

USB4的诞生

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。Intel这次选择将协议交给了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。

USB4的带宽分配

USB4整合了多个协议，可以同时支持更多设备，其中就涉及到带宽的分配，从下图可以看出USB4最多分配22Gbps的带宽用于数据传输，最少18G的带宽用于支持显示。可以连接一个分辨率为5120x2880(5k)，刷新率60Hz，色深30bit的显示器，剩下18Gbps的带宽用于传输数据；也可以连接两个分辨率4096x2160(4k)，刷新率60Hz，色深30bit的视频，剩下8Gbps的带宽用于传输数据。

上面的图片来自英特尔的雷电3官网。

USB4的应用

USB4的应用如下:

1、USB4如果只传输USB 3.2数据，可以占用20Gbps带宽。如果接支持USB 3.2 Gen 2x2的移动硬盘，速度明显会比我们过去用的USB 3.0快很多。

2、USB4可以输出高清视频和数据，比如可以接双4k 60Hz显示器或单个5k 60Hz显示器，还因为支持PCIe协议，可以外接显卡、固态硬盘，扩展坞等。

3、USB4高速通道如果只传输视频，可以占用80Gbps的带宽，支持到DP 2.0。可以进行8k 60Hz分辨率，30bit颜色深度的高清显示。

4、USB4支持USB PD快充，最高可以达到100W功率充电。

USB4和USB 3.2的差异

在说明USB4与USB 3.2的差异之前，有必要说明一下DisplayPort通道的定义，和USB通道的定义有所区别，两者不能混淆。下面介绍DisplayPort通道的定义。

DisplayaPort通道的定义

前面提到对于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。

DisplayaPort传输视频对于通道的定义与USB不一样，对于主机来说，因为它只有发送，没有接收，所以每一个通道就是一个差分对。本文为了区分DisplayPort与USB关于通道描述，防止两者混淆，在描述DisplayPort通道时，后面加上括号标注是DP,如2 Lane(DP)。如下图所示，DisplayPort在USB Type-C接口定义上有2 lane(DP)和4 lane(DP)两种情况。

2 lane DP+USB 3.2

                                                                    

上图是2 lane(DP)的定义，对于DisplayPort来说，差分对RX2+和RX2-与差分对TX2+和TX2-都是用来发送视频数据的，这点与USB数据的传输不同，所以差分对RX2+和RX2-与差分对TX2+和TX2-分别叫做lane 0(DP)和lane 1(DP)。剩下的差分对TX1+和TX1-与差分对RX1+和RX1-分别用作USB 3.2的发送和接收，称为USB的通道。

4 lane DP

                                                                              

上图是4 lane(DP)的定义，对于DisplayPort来说，差分对RX2+和RX2-与差分对TX2+和TX2-以及差分对TX1+和TX1-与差分对RX1+和RX1-都是用来发送视频数据的，所以它们分别叫做lane 0(DP)、lane 1(DP)、lane 2(DP)和lane3(DP)。

总之，造成DisplayPort通道的定义和USB以及PCIe对于通道的定义的不相同是有原因的。就是DisplayPort的传输只有一个方向，对于视频源来说是发送，对于显示器来说是接收，所以一个差分对就是一个通道。而USB和PCIe是双向的，既有发送，也有接收，所以一个发送的差分对和一个接收的差分对组成一个通道。

接下来说USB4和USB 3.2的数据传输。

USB 3.2数据传输

现在介绍USB 3.2数据传输方式。USB 3.2的传输模式有两种：

1、USB 3.2数据和2 Lane(DP)的DP 1.4视频数据同时传输；

2、4 Lane(DP)的DP 1.4视频数据传输。

如图，Lane 0 Adapter通道用于传输USB 3.2数据，速度可以选择5Gbps和10Gbps两种。Lane 1 Adapter用于传输2 Lane(DP)的DP 1.4视频数据，可以传输4K 60Hz 30位色深的视频，由于另外2 Lane(DP)用于USB传输，所以这个视频分辨率还不是DP 1.4的最高分辨率。

如图，Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于传输4 Lane(DP)的DP 1.4视频数据，可以传输的4K 120Hz 30位色深的视频。

USB4的数据传输

USB4的传输模式也有两种：

1、USB4双通道传输USB 3.2、DP 1.4和PCIe 3.0数据；

2、USB4的雷电3(简称TBT3)模式。

如图，USB4中Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于传输USB 3.2数据，可以选择5Gbps和10Gbps。同时还传输DP 1.4和PCIe 3.0数据。

 

如图，是USB4中的雷电3模式(简称TBT3)，Lane 0 Adapter通道和Lane 1 Adapter通道用于同时传输DP 1.2和PCIe 3.0数据。

下面看一下USB4和USB 3.2的差异对比。

USB4和USB 3.2的对比

                                                                

USB 3.2和USB4的对比

1、传输带宽：USB 3.2最大是20Gbps，而USB4最大是40Gbps。

2、传输协议：USB 3.2主要通过USB协议传输数据，或者通过DP Alt Mode(替代模式)来配置USB和DP。而USB4通过隧道技术将USB 3.2，DP和PCIe协议封装成数据包，同时发送。

3、DP的传输：都能支持DP 1.4。USB 3.2通过DP Alt Mode(替代模式)来配置输出；而USB4除了可以通过DP Alt Mode(替代模式)来配置输出，还可以通过USB4隧道协议数据包来提取出DP数据。

4、PCIe的传输：USB 3.2不支持PCIe，USB4才支持。通过USB4隧道协议数据包来提取出PCIe数据。

5、TBT3的传输：USB 3.2不支持，USB4是支持的，就是通过USB4隧道协议数据包来提取PCIe和DP数据。

6、Host to Host：主机和主机之间通信，USB3.2不支持，USB4支持。主要是USB4支持PCIe协议才能支持这个功能。

注:隧道技术可以看作是将不同协议的数据整合到一起的技术 ，通过数据包头来区分类型。

USB 3.2中，传输DisplayPort视频和USB 3.2数据是在不同的通道适配器传输的，而在USB4中，DisplayPort视频、USB 3.2数据和PCIe数据是可以在同一个通道传输的，这是两者最大的差异。可以看下图来加深理解。

上面的图片来自英特尔的雷电3官网。

USB4通道可以想象成可以通行各种类型车辆的车道，USB数据，DP数据和PCIe数据想象成不同的车。同一个车道有不同的车排成队在有序行驶，USB4同一个通道传输不同类型的数据也是这个原理。USB3.2，DP和PCIe数据先汇聚在一起，通过同一个通道发送出去，到对方的设备，然后再分离出3种不同类型的数据来。

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