M1 Mac USB4與雷靂3接口優勢,USB 4支持傳輸速率有多快?

2020-12-15 電子工程專輯

USB接口是由Intel等公司組成的USB-IF協會推出的。20多年後，從USB 1.0到USB 2.0再到USB 3。x、USB接口的命名逐漸混亂 直到USB4，USB-IF決定直接使用不帶空格的USB4，命名儘量簡單 。RSIEETC-電子工程專輯

近日，蘋果更新電腦產品線，首次支持USB 4接口，使USB 4再度流行 USB 4到底是什麼？與之前的USB2.0和USB3.0相比，有什麼優勢？RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

USB4 全名為Universal Serial Bus Generation 4。USB 這個介面在1996 年發布USB 1.0 規格, 傳輸速度支援低速1.5 Mbps 與全速12 Mbps，以及之後陸續發表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，並在2019年9 月發布最新一代USB4 規格，支援20 Gbps 與40 Gbps。USB 介面演進及相對應的logo，請參考圖表一。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖表一RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4新功能三大重點

1. USB4 只採用USB Type-C 連接器，USB4 訊號採雙通道傳輸；而過去的連接器如USB Type-A 或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB4。RSIEETC-電子工程專輯

2. USB 傳輸速度最快支援40G (20Gbps x2)，並可同時傳送DisplayPort 影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB4 架構的整體速度和性能。RSIEETC-電子工程專輯

3. 向下相容USB 2.0 與USB 3.2及支援Thunderbolt 3。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4連接器與線纜重點

1.USB4 只採用USB Type-C 連接器。RSIEETC-電子工程專輯

2. USB4 Cable 被動線纜，可支援的被動線纜長度由USB 3.2 Gen2 的1 公尺，降為USB4 Gen3 的0.8 公尺。RSIEETC-電子工程專輯

3. 若需較長的線纜，如連接大尺寸螢幕，或是VR 應用，可使用主動式線纜。USB4 主動式線纜為含有Repeater 元件（如Re-timer，Re-driver 等主動元件）的線纜，以及光纖線纜等。至於可支援的主動式線纜長度最長為5 公尺。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4架構重點

USB4 主要構成元件有路由器(Router) ，適配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，時間管理單元)。RSIEETC-電子工程專輯

1. 路由器是USB4 的一個主要建構模塊，路由器將隧道協議轉換成USB4 封包傳送，並透過TMU來作時間同步。主要由USB Host 內建的Connection Manager 來偵測及管理。RSIEETC-電子工程專輯

2.適配器是內建在路由器裡，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如USB4 Host在傳輸USB3 資料（如圖二），由內部USB3 Host 透過USB3 Adapter 進行協定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個路由器內部最多可以支援64個適配器。RSIEETC-電子工程專輯

3.TMU 是內建在路由器裡，使用分布式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖二RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4以功能區分五種層級

1. Protocol Adapter Layer：負責USB4 與不同協議間進行對應，並把不同協議封裝成Tunneled Packet，在USB4 介面內傳遞。RSIEETC-電子工程專輯

2. Configuration Layer：負責處理由Connection manager 傳送來的控制封包(Control Packets) ，並附加路徑中對應的地址(address)，確保其可靠的傳送機制。RSIEETC-電子工程專輯

3. Transport Layer：定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，並產生link management Packets 以提供時間同步封包、流量控制封包等。RSIEETC-電子工程專輯

4.Logical Layer：負責建立2 個裝置之間的USB4 連結，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測及復原機制，並且透過Sideband Channel 進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。RSIEETC-電子工程專輯

5. Electrical Layer：定義USB4 電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖三RSIEETC-電子工程專輯

如圖四，以USB3 Tunneling為例，USB4 Host 透過USB3 Protocol Adaptor，將USB3 Protocol 經USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉USB4 Link 傳送到USB4 Hub Electrical Layer。再依圖四順序進行一連串USB3/USB4 轉換，將訊號傳送到USB4 Device。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖四RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB3 隧道協議

USB4 訊號由PCIe、USB3 及DisplayPort 隧道協議組成。此篇幅單就USB3 隧道協議講解。USB3 隧道協議，指的是將原始USB3 封包經由Protocol Adapter Layer 封裝成Tunneled 封包，藉由圖五可以清楚知道，紅色部分是USB3 的封包，而藍色部分是Tunneled 封包，UFP(Upstream Facing Port)與DFP(Downstream Facing Port)之間會使用Physical Layer 傳輸。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖五RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4產品類型

1. USB4 Host：產品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。RSIEETC-電子工程專輯

2.USB4 Hub：產品有一個UFP，並且有一個或多個DFP。RSIEETC-電子工程專輯

3.USB4-Based Dock：產品有一個UFP，並且有一個或多個DFP，且產品內還有其他元件的功能，如儲存裝置或網路功能。RSIEETC-電子工程專輯

4.USB4 Device: 產品有一個UFP，沒有任何的DFP。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4支援的隧道協議

依據規格，對Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協議有不同要求，如下圖，打「Ｖ」為必須支援，其餘則是可選擇支援與否。RSIEETC-電子工程專輯

例如USB Host 必須支援USB3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖六RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB4支援的傳輸速率

USB4 支援USB4 Gen2 的20Gbps 及USB4 Gen3 的40Gbps 速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援這兩個速度？RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

圖七RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

M1 Mac 標配的 USB 4 帶來了什麼新改變？

隨著帶有 M1 晶片的 Mac 產品線發布，USB 4 也逐漸進入大眾的視野中。RSIEETC-電子工程專輯

比 USB 3 更好的 USB 4 它來了

USB 4 是最新一代 USB 規範標準，帶來了如下特性：RSIEETC-電子工程專輯

  • 更方便：統一的形狀
  • 更合理：通過「隧道」進行傳輸
  • 更兼容：不僅兼容現在，也兼容未來

統一的形狀

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

統一的接口RSIEETC-電子工程專輯

USB 4 將只有 Type-C 這樣形狀的接口，和 TB 3 在接口上保持完全一致，且最低也會保障 USB 2 （480Mbps）的速度，足夠滿足簡單的數據傳輸需求了。基於上述這點相信未來大家出門帶上 Mac 可以真正意義上的只帶一根或者兩根線（C-Lightning）就可以出門。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB 4連接器和線纜RSIEETC-電子工程專輯

USB 4隻採用USB Type-C連接器。為什麼還是Type-C接口呢，原因在誕生記裡也說過，它不僅支持正反插，還支持數據傳輸、視頻輸出，更有PD快充，通過USB PD標準，輸出功率最高可達100W (20V/5A)。RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

USB 4線纜分為主動式線纜和被動式線纜：RSIEETC-電子工程專輯

接大尺寸螢幕，或是VR應用需要較長的線纜，可選擇主動式線纜；RSIEETC-電子工程專輯

被動線纜，可支援的被動線纜長度由USB 3.2 Gen2的1公尺，降為USB 4 Gen3的0.8公尺。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

RSIEETC-電子工程專輯

USB 3.1 第二代隧道RSIEETC-電子工程專輯

這也是為什麼明明是 USB 4 協議，在 M1 Mac 的技術詳情裡卻標記的是 USB 3.1 第二代（也就是 USB 3.2 一代）的主要原因。在 USB 4 的狀態下，數據傳輸時的速度只有 USB 3.2 10Gbps 的速度RSIEETC-電子工程專輯

雷電3接口是什麼？

雷電（Thunderbolt）是一種擴展接口，最初由英特爾研發，蘋果參與合作，目的是作為PC與其他設備之間的連接總線。雷電接口已經迭代了三個版本，前兩代接口為mini DP，均應用於蘋果Mac系列電腦中。在 Type C逐漸普及之後，Intel看到了其發展潛力，便將新一代雷電3接口改為Type C，也進一步鞏固了Type C一統江湖的地位。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

結論

USB4 傳輸速率提升到40 Gbps，並且可以動態分享頻寬，當使用一條USB Type-C 連接線就可以相容於市面上Thunderbolt 3 和Display Port 產品，對於消費者來說是一個更加便利的介面。但對於產品開發者來說，USB4 是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往USB3 的產品在架構上的差異，加上高頻信號在PCB 及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。RSIEETC-電子工程專輯

 RSIEETC-電子工程專輯

相關焦點

  • 並非雷靂4,蘋果M1晶片MacBook Air/Pro與Mac mini配備雷靂3接口
    據外媒 MacRumors 報導，配備 M1 晶片的新款 MacBook Air、MacBook Pro 和 Mac mini 配備了兩個 USB-C 接口支持，USB 4 和雷靂（Thunderbolt）。但蘋果仍在繼續使用雷靂 3 接口，並未將新型號升級至雷靂 4。
  • ...蘋果自研 M1 晶片 MacBook Air/Pro 與 Mac mini 配備雷靂 3 接口
    據外媒 MacRumors 報導，配備 M1 晶片的新款 MacBook Air、MacBook Pro 和 Mac mini 配備了兩個 USB-C 接口支持，USB 4 和雷靂（Thunderbolt）。
  • 科普|USB4和雷靂 4 接口都有哪些新變化?
    USB4 和原先的 USB 3 協議有哪些不同？以及最新的雷靂 4（Thunderbolt 4，下文簡稱 TB 4）有哪些改變？你將能在這篇文章裡得到解答。如果加上顯示傳輸所需要的帶寬，USB4 強制要求的帶寬則是 20Gbps，也可以選擇 40Gbps 的高速版本（拓展塢強制需要），一切全部由廠商決定。 由於存在非常多的可選項，所以我將接口、轉接器和外界設備的在支持 USB4 以後支持的速度給歸納出來，方便大家日後查詢：
  • USB4全面兼容Thunderbolt 3接口
    自從USB4全面兼容Thunderbolt 3接口發布後，Thunderbolt 3最近在線纜行業提到的次數越來越頻繁，而最新雷電4的消息再次將雷電接口刷頻，雷電4的速度其實就是USB3.1 Gen2的4倍，也就是10Gbps×4，共計40Gbps，和現有的雷電3接口基本一模一樣。
  • 音視頻同步傳輸,USB3.1雙頭Type-C數據線精選
    加上現在Type-C接口的升級之後，還能支持音視頻同步傳輸的特點，相比後續定會是市場一大趨勢。今天就給大家推薦幾款使用的Type-C雙頭快充數據線，一起看看有沒有你需要的款式吧。— ① —usb3.1 Gen2 4K高清畫質CABLE CREATION品牌設計的雙頭type-c公對公數據線，採用新型的USB3.1 Gen2全功能傳輸，不僅可以對手機筆記本電腦還有iPad Pro進行供電，還能使用筆記本電腦連接帶有Type-C接口的顯示器，支持4K高清畫質效果顯示
  • ARM 版 Mac 仍將支持 Intel 的雷靂接口
    隨著變革開始，有用戶擔心這些新的 Mac 型號是否能兼容雷霆接口設備。Apple 表示，儘管沒有 Intel 處理器，但在新的 Mac 上仍將支持 Intel 的雷霆 USB-C 連接標準。我們仍然致力於雷霆的未來，並將在使用 Apple 晶片的 Mac 中支持它。但目前 Apple 還沒有在 Intel 驅動的 Mac 之外的任何產品上提供雷霆支持。尤其是 Apple 基於 ARM 的 iPad Pro，只採用了一個普通的 USB-C 埠，而不是雷霆 3 接口。Apple 基於 ARM 的開發者過渡套件也只採用標準的 USB-C 接口。
  • 你需要一個全功能的貝爾金雷靂 3 專業擴展塢
    「旗艦」：旗艦級的擴展塢會在接口上進一步擴展，加入雷靂 3 的輸出功能、並且會將視頻接口從 HDMI 2.0升級到 DP 1.4，同時在讀卡器規格上支持 UHS-Ⅱ，定價普遍在千元以上。2【後置接口】：貝爾金雷靂 3 專業擴展塢的背面接口更加豐富，其中包括 4 個 USB-A 3.2 Gen1（5Gbps）、RJ45 千兆乙太網口、 DP 1.4、2 個雷靂 3（右側埠帶 85W 供電）以及電源接口。
  • usb3.0和2.0的區別接口可以通用嗎
    可以通用，3.0接口設計為向下兼容。2.0採用4針腳設計，3.0採取9針腳設計；2.0的最大傳輸速率為480Mbps，3.0可達到5Gbps。　　Usb3.0支持向下兼容usb2.0，兩者是通用的，只是在進行數據傳輸的時候，以usb2.0接口的速度為準。同樣，usb2.0插上usb3.0也是usb2.0的傳輸速度。
  • Intel發布雷電4接口,相比之前的雷電3,雷電4都改進了什麼?
    雷電接口又叫雷靂接口，英文名Thunderbolt，主要由英特爾進行開發，正式發布以來已經經過了3個版本的迭代，雷電1、雷電2為MINI-DP接口，雷電3更換為更具優勢的Type-C
  • 梯形接口Out!買手機請選擇Type-C接口,不止充電快!
    Type-C這樣的扁平式接口，有網友表示用過Type-C再也不想用micro-usb了。　　1.正反兩面插　　大家在使用micro-usb接口充電的時候應該都遇到老是插不進去的情況，插之前還要先「對個焦」，特別不方便，而Type-C接口肉眼可見的優勢就是支持正反兩面插拔，有效解決了「插不準」的情況
  • usb3.0 u盤寫入速度一般是多少?
    理論上的最高速率是5.0Gbps（即500MB/S）。 　　數據傳輸 　　USB3.0 引入全雙工數據傳輸。5根線路中2根用來發送數據，另2根用來接收數據，還有1根是地線。也就是說，USB 3.0可以同步全速地進行讀寫操作。以前的USB版本並不支持全雙工數據傳輸。
  • usb3.1和3.0的區別,usb3.1有什麼優點?
    USB 3.0為8b10b編碼，也就是每傳送10bit資料中，只有8bit是真實的資料，剩餘的2bit是做為檢查碼，因此整個頻寬會有高達20%（2/10）的損耗，而新的USB 3.1則是使用128b/132b編碼，在132bit的資料中，只需使用4bit做為檢查碼，傳輸損耗率大幅下降為3%（4/132），所以USB 3.1不單只是提升頻寬而已，連傳輸效率也增進不少
  • 為什麼手機使用安卓typeC接口?它與micro-usb比優勢在哪兒?
    現在越來越多的手機使用type c的接口，比較熟悉的就有小米魅族OPPO vivo華為三星等，那麼我們今天就討論一下它的c接口，它好在哪裡？他和Micro USB, 有什麼優勢。什麼是type c以及它普及的過程Type-C全稱USB Type-C接口，是一種USB接口形式。它伴隨最新的USB 3.1標準橫空出世。Type-C推出後，是藉助蘋果超薄MacBook的普及真正被大眾熟知。
  • USB接口中的皇帝!淺析雷電Thunderbolt的前生今世
    為了重新奪回競爭優勢，英特爾帶來了代號為「Tiger Lake」的第11代酷睿，而雷電4就是該平臺主打的新功能之一。今天，就讓我們聊一聊雷電接口的那些事兒。雷電1技術的傳輸速率為10Gbps2015年，隨著USB Type-C接口標準的出現，它很快就被最新的雷電3技術盯上，至今網上也仍在流傳「雷電3一定是USB Type-C，但USB Type-C卻不一定支持雷電3」的科普內容。和傳統的USB接口相比，雷電技術最大的特色就是更快。
  • M1最強大卻最便宜的Mac,剁手評測
    最終決定入手的原因，是因為看到有大神的評測，m1晶片實在太強了，在視頻解碼方面甚至超越了imac pro，m1晶片的性能達到i7的水平。而256g的mac mini才5299，加上主動散熱風扇，相信性能肯定比air要高上不少，可能比pro還要強。所以，mac mini才是性價比最高的m1機器啊。
  • 科普:Type-C接口設備這麼多,它都有哪些妙用
    隨著手機的不斷更新升級，除了屏幕以及性能外，我們發現越來越多的手機都已經開始使用Type-C接口。諸如華為、小米、三星等等，即便是一直以來都用micro usb的OPPO手機，也在OPPO R17系列上面使用了Type-C充電口。
  • USB連接標準接口簡述發布
    目前USB已經可以達到USB4階段，高達40Gbps(High speed)高速傳輸目標，已經超過了IEEE1394-1995規格所定的速度，即使USB仍然有一些問題有待解決，不過佔盡價格與技朮優勢的USB將成為PC總線標準的主流已經是必然的趨勢.
  • 科普| M1 Mac 標配的 USB 4 和 Thunderbolt 4 都帶來了什麼新改變?
    USB 4 和原先的 USB 3 協議有哪些不同？以及最新的雷靂 4（Thunderbolt 4，下文簡稱 TB 4）有哪些改變？你將能在這篇文章裡得到解答。如果加上顯示傳輸所需要的帶寬，USB 4 強制要求的帶寬則是 20Gbps，也可以選擇 40Gbps 的高速版本（拓展塢強制需要），一切全部由廠商決定。 由於存在非常多的可選項，所以我將接口、轉接器和外界設備的在支持 USB 4 以後支持的速度給歸納出來，方便大家日後查詢：
  • 英特爾USB4 控制器曝光:支持 PD 3.0,Type-A 接口已成過去式
    英特爾雖然有自己的雷電 4 標準，但是作為 USB-IF 的重要成員，英特爾同樣在努力布局 USB4 相關技術和產品。畢竟 USB4 就是在雷電 3 的基礎上搞出來的，而且會更加普及。英特爾暫時並沒有把 USB4 控制器整合到 PCH 裡面，而是與雷電相同的推出了獨立晶片。爆料者 @_rogame 最近在英特爾的文件裡面找到了尚未發布的 USB4 控制器的設備 ID，分別為 0x9A1B，0x9A1D 和 0x9A13。