科学的认知USB3.x

2019-12-29 15:12:09 8点赞 34收藏 7评论

最近一直被雷电3、USB-C等问题困扰,心血来潮想理清它们之间的门道,只不过在研究USB协议后,笔者只能表示U不SB,被USB-IF组织忽悠的笔者才是最大的SB...

先上这么一幅图:

科学的认知USB3.x

或许看到上图中x1,x2,USB 3.2,USB3.1这些名词,大家已经开始懵逼了;这还没考虑到这些规范在不同接口构型上的搭配以及规范名称的演变(万恶的USB-IF),所以这里稍微梳理一下USB3.x的演变历程(其实按照USB-IF的定义,x=2)。本文只讨论USB系列传输协议的演变和规格,至于ALT模式/雷电3/PD等内容暂时不会涉及,以后可能会探讨下。

USB 3.0/USB3.1 Gen1/USB3.2 Gen1x1

最原始的USB 3.0规范已经经历了两次命名的更迭,从USB3.0一直续到USB3.2 Gen1x1,为了保证行文的一致性,笔者仍然使用USB3.0来称呼。

在USB1.1/2.0时代,信号是通过一对差分针脚来进行传输的,即D+,D-,再配合GND就可以进行单向的数据传输。由于只有一组差分信号,所以USB1.1/2.0是明显的半双工传输协议,在某一瞬间只能进行单方向的数据传输:

咸 鱼 速 度咸 鱼 速 度

为了提高传输速率,USB3.0在不同形状的物理接口上都增加了新的针脚。为了保证向下兼容性,也保留了USB2.0原有的针脚;由于USB3.0发表时只有常见的Type-A与Type-B构型,并没有Type-C可选,所以工作示意图如下:

有 所 进 步有 所 进 步

USB3.0新增了两组差分对,分别是SSTX与SSRX。每组差分对的速度都被提升到了5Gbit/s,编码方式为8b/10b,计算纠错/控制损耗,实际效率为80%。从针脚名称中的T与R便可以知道USB3.0可以同时发送与接收数据,是全双工接口,参考下图。

紫色为新增管脚,这也是USB3.0为什么要快速插入的原因紫色为新增管脚,这也是USB3.0为什么要快速插入的原因

USB3.0发表于2008年11月,次年便有不少主板通过第三方主控芯片的方式提供了USB3.0支持,到现在的笔记本/主板都会提供USB3.0接口,几乎算是日常最常用的数据传输接口了。但是在2015年,USB-IF协会宣布将USB3.0改名为USB3.1 Gen1,而原本的USB3.1改名为USB3.1 Gen2,这也是命名混乱的开端(因为USB3.0还会再改一次名字)。

USB3.0其实可以搭配Type-C接口使用,在Type-C规范发布后,更名为USB3.1 Gen1的USB3.0和Type-C经常组合出现,会在后文中提及。

USB Type-C

在讲解USB 3.1/USB3.1 Gen2/USB3.2 2x1的规格与线路之前,有必要单独讲下USB Type-C这一概念,这是因为USB Type-C和USB 3.1的规划时间非常接近,USB 3.1也会首先支持USB Type-C的接口样式。

本质上USB Type-C规范只是一种硬件接口形式,它只制定了USB Type-C接口和连接器的物理规格及引脚排布等,并没有定义里面的传输类型和协议。厂家可以在上面选择支持哪种USB传输协议类型,最早出现的Type-C口手机通常只有USB2.0功能。

相较于以往的USB Type-A/Type-B接口,普遍认为能够支持正反插拔特性是Type-C规范最大的优势,毕竟以往盲插USB线失败后多次重试的体验不太好。但笔者认为正反插吧并不是Type-C的最闪光点,更重要的还是针脚数量的暴增为未来的扩展带来了无限的可能性,这也是Type-C成为DP ALT、雷电3等协议的物理接口最大的原因。

可以看下Type-C连接器的针脚定义[1]

Type-C母口Type-C母口

Type-C公头Type-C公头

可以简单的看出,将Type-C公头中心旋转180度,它的针脚也是完全匹配母口的。这也是Type-C接口能够正反插的原因,不得不说这样的设计相当巧妙。

Type-C新增了很多针脚,当然厂家也可以直接空置不使用它们,只要保证中间的D+针脚都存在,就能完成数据传输,比如说诺基亚的N1就采用了这样的USB2.0 Type-C接口[2]

这只是一个USB2.0接口这只是一个USB2.0接口

Type-C接口在针脚上可以支持4组差分对,但是在USB3.0和USB3.1规范中都只使用到了2组,至于为什么要这么设计,这和后面要说的USB3.2/ALT模式有关系;现在暂且给出USB3.0在Type-C下的工作示意图:

全 速 摸 鱼全 速 摸 鱼

USB 3.1/USB3.1 Gen2/USB3.2 Gen2x1

2013年底,负责制定USB 3.0规范的组织USB 3.0 Promoter Group公布了下一代USB 3.1接口的标准规范。2014年4月,负责USB接口规范的USB开发者论坛(USB-IF)公布了USB 3.1连接接口设计图,包括Type-A、Type-B以及全新设计的Type-C。[3]

2015年,万恶的USB-IF将USB3.0更名为USB3.1 Gen1,原定的USB3.1更名为USB3.1 Gen2(这是USB3.1遭受到的第一次更名)。

USB3.1相较于USB3.0,大致做了以下改进:

1.仍然是两个差分对,全双工,但每个差分对速度被提升到10Gbps。

2.编码从8b/10b更改为128b/130b,实际可用带宽更大,损耗从USB3.0的20%降到3%。

3.引入了新的USB PD协议,供电能力大幅度提高。

下面是USB3.1的工作示意图,在Type-A与Type-B接口下,相较于USB3.0只是把差分对的速度提高了。

小 修 小 补小 修 小 补

而在Type-C接口下,USB3.1工作示意图是这样的:

继 续 摸 鱼继 续 摸 鱼

USB3.2 Gen1x2/USB3.2 Gen2x2

2017年,USB-IF宣布推出新一代USB协议标准,同时也把USB3.1 Gen1(原USB3.0)改名为USB3.2 Gen1x1,USB3.1 Gen2(原USB3.1)改名为USB3.2 Gen2x1(USB-IF是真的秀)。

暂且不去考虑对旧标准修改命名的影响,真正的USB3.2对比以往的USB3.1并没有提升单个差分对内的带宽,但总带宽达到了20Gbits/s,这是怎么做到的呢?还记得我们前面谈到的Type-C吗?Type-C接口提供了4个差分对,现有的USB3.0与USB3.0都只利用到了2组,如果完全使用,不就可以把带宽翻倍了吗?事实上USB-IF就是这么做的。这也是为什么USB3.2的两个新标准都只建议使用Type-C接口的原因,用Type-A和Type-B,针脚完全不够。

当然,USB3.2规范必须搭配新的线材使用,很多老旧的USB3.0/3.1线材内部并没有将差分对线路补齐,或者是与原有的差分对线路连在一起,在这种线材下,USB3.2只能降速到原来的一半来使用。

USB3.2 Gen1x2

USB3.2 Gen1x2是一个非常诡异的标准,他的速度与原来的USB3.1一致,为10Gbit/s。编码方式和USB3.0一样,为8b/10b。但它和USB3.2 Gen2x2一样,内部使用了4组差分对......可以说USB3.2 Gen1x2真是四不像...

这个是USB3.2 Gen1x2的工作示意图:

使用了4组差分对,也只有咸鱼的10Gbps使用了4组差分对,也只有咸鱼的10Gbps

然后就是USB3.2的最终Boss,终于达到了雷电2的高度:

理论速度是双向都能20Gbps,可喜可贺理论速度是双向都能20Gbps,可喜可贺

总结

现在我们回到这张图:

万恶之源万恶之源

1.Gen1和Gen2指代编码方式和Lanes内的速度,Gen1绑定了8b/10b和单lane内5 Gbit/s,Gen2绑定128b/130b与单lane内10G bits/s。

2.1个lane即2组差分对,一组差分对负责一个方向的传输。所以表里的带宽都是同时刻双向的带宽(当然实际中达不到)。

3.x1和x2指代有几个lane,真正的USB3.2 x2只能通过Type C接口达成,同时线材也必须支持USB3.2内所需的4个差分对。

4.USB-IF是SB。

参考

1.Type-C Wiki https://zh.wikipedia.org/wiki/USB_Type-C

2.Nokia N1 https://www.theverge.com/2014/11/18/7239709/nokia-n1-tablet-price-release-date

3.USB3.0历史Wiki https://zh.wikipedia.org/wiki/USB_3.0#%E6%AD%B7%E5%8F%B2


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