USB4规范解读(流源君)
USB4规范解读（三） 深入了解USB4的系统结构和工作原理
本文介绍USB4主机和USB设备的内部组成。USB4系统分为USB4主机和USB4设备，而USB4设备又分为USB4集线器、USB4扩展坞和USB4外部设备。USB4主机、USB4集线器和USB4外部设备组成的一整个系统叫做USB4系统架构。这里的系统架构指的是整体的设计框图，描述了构成整体的各个部件以及它们之间通讯方式等。
一、USB4数据传输结构
USB4数据依靠路由器来选择路径和传输，可以抽象成下图的模型。路由器分为主机路由器和设备路由器。
二、USB4系统架构
1、USB4主机架构
1.1、USB4主机组成
- 数据选择器：图中梯形的图标表示数据选择器，是一种可以选择使用哪一个数据通道的结构。
- 增强型超速主机：增强型超速主机是负责接收和发送USB超速数据(USB 3.2数据)的一种部件。
- USB 2.0主机：USB 2.0主机是负责接收和发送USB 2.0数据的一种部件。
- DisplayPort发送源：DisplayPort发送源用于提供DisplayPort视频信号数据。
- PCIe控制器：PCI控制器用于选择每次发起通信的PCIe下行端口适配器。
- 主机协议适配器：两个USB3下行端口适配器，两个PCIe下行端口适配器，一个DisplayPort输入适配器和一个主机接口适配器都属于协议适配器。USB3下行端口适配器和PCIe下行端口适配器分别将发起方的USB3数据和PCIe数据按照一定的方式转换整合成USB4数据形式，DisplayPort输入适配器将DisplayPort发送源的数据转换成USB4数据形式，传递给USB4端口。主机接口适配器用于USB4主机之间协议的转换。
两个USB3和PCIe下行端口适配器分别对应从两个USB4端口传输数据，一个DisplayPort输入适配器可以在其中一个USB端口传输，也可以同时在两个USB4端口传输，取决于检测到的设备。
- 主机路由器：主机路由器传输USB4数据包。还通过时间管单元分配和同步时间。
- TMU：时间管理单元(TMU)是每个路由器的功能模块，用于分配和同步路由器传输数据的时间。
- USB端口：USB4端口共有两个通道，一个发送的差分信号和一个接收的差分信号组成一个通道，每个通道有一个通道适配器。使用一个通道传输数据叫做单通道模式，使用两个通道传输数据叫做双通道模式。
1.2、USB4主机工作原理
- 主机USB 3.2数据传输路径：图中红线所示，增强型超速主机传输数据时，有两个USB3下行端口适配器，单次发送选择经过其中一个，然后传输到两个USB4端口中的一个，最后经过USB Type-C口传输USB 3.2数据。
- 主机USB 2.0数据传输路径：图中黄线所示，USB 2.0主机发送和接收USB 2.0数据都是直接通过USB Type-C口传输的。
- 主机PCIe数据传输路径：图中绿线所示，传输PCIe数据时，通过PCIe控制器选择两个PCIe下行端口适配器中的一个来传输数据，接着将PCIe数据传递给其中一个USB4端口，再传递给USB Type-C口。
- 主机DisplayPort传输路径：图中紫线所示，DisplayPort发送源将视频信号传递给DisplayPort适配器，紧接着传递给USB4端口其中一个或两个，最后通过与USB4端口相连的USB Type-C口发送出视频信号。
2、USB4集线器架构
2.1、USB4集线器组成
- 增强型超速集线器：增强型超速集线器通过USB4集线器的USB3上行端口应答来自USB4主机的USB3下行端口发起的数据。同时选择USB4集线器的两个USB3下行端口中的一个来传输数据给USB4设备。选择哪一个取决于哪一个检测到USB4设备。总之，就是一个USB 3.2扩展出多个USB 3.2。
- USB 2.0集线器：USB 2.0集线器是负责应答来自主机的USB 2.0数据，同时扩展出多个USB 2.0给外部设备使用。
- PCIe交换机：PCIe交换机通过USB4集线器的PCIe上行端口应答来自USB4主机的PCIe下行端口发起的数据。同时选择USB4集线器的两个PCIe下行端口中的一个来传输数据给USB4外部设备。选择哪一个取决于哪一个检测到USB4外部设备。总之，就是一个PCIe扩展出多个PCIe。
集线器协议适配器：一个USB3上行端口适配器，一个PCIe上行端口适配器。两者分离出USB4传递的来自USB4主机的USB 3.2和PCIe数据，分别传递给增强型超速集线器和PCIe交换机。两个USB3下行端口适配器，两个PCIe下行端口适配器。USB3下行端口适配器和PCIe下行端口适配器分别将增强型超速集线器传输的USB3数据和PCIe交换机传输的PCIe数据按照一定的方式整合在一起，最后传递给USB4端口。DisplayPort输出适配器可以直接连接DisplayPort接口，再连接支持DisplayPort或者能够转化DisplayPort信号的显示器就可以显示视频了。
设备路由器：传递来自主机的USB4数据，依靠时间管理单元(TMU)分配和同步时间。
2.2、USB集线器工作原理
从图中看，信号来自USB4端口，USB 3.2和PCIe经过一定的中转，传递给另一端的USB4端口。
USB 3.2数据传输路径：图中红线所示，USB3上行端口适配器将分离出的来自USB4端口的USB 3.2数据传递给增强型超速集线器，然后由增强型超速集线器传输数据，有两个USB3下行端口适配器，单次传输选择经过其中一个，然后传输到两个USB4端口中的一个，最后经过USB Type-C口传输USB 3.2数据。
USB 2.0数据传输路径：图中黄线所示，USB 2.0集线器传输USB 2.0数据都是直接通过USB Type-C口传输的，同时可以扩展出多个USB 2.0数据。
PCIe数据传输路径：图中绿线所示，PCIe上行端口适配器将分离出的来自USB4端口的PCIe数据传递给PCIe交换机，然后由PCIe交换机传输数据，有两个PCIe下行端口适配器，单次传输选择经过其中一个，然后传输到两个USB4端口中的一个，最后经过USB Type-C口传输PCIe数据。
DisplayPort的传输路径：图中紫线所示，DisplayPort信号直接从USB4的一个端口传输到另一端的USB4端口，没有经过其他的中转。也可以从USB4输入端口分离出信号给DisplayPort输出适配器，来连接显示器显示。
3、USB4外部设备架构
3.1、USB4外部设备组成
- 增强型超速功能：支持USB超速（大于等于5Gps）数据功能的部件。
- USB 2.0功能：支持USB 2.0数据功能的部件。
- 外部设备协议适配器：USB3上行端口适配器将来自USB4端口的USB 3.2数据传送到增强型超速功能结构。
- PCIe上行端口适配器将来自USB4端口的PCIe数据传送到PCIe功能结构。Displayport输出适配器将来自USB4端口的DisplayPort数据传送到DisplayPort显示。
- 外部设备路由器：传递来自集线器的USB4数据，依靠时间管理单元(TMU)分配和同步时间。
3.2、外部设备工作原理
外部设备收到来自USB4接口的数据，USB 2.0数据直接传递给USB 2.0功能模块。USB3上行端口适配器分离出USB 3.2数据传递给增强型超速功能模块，PCIe上行端口适配器分离出PCIe数据传递给PCIe功能模块，DisplayPort输出适配器分离出视频信号给DisplayPort显示模块。这样USB4主机就可以和外部设备（比如固态硬盘，移动硬盘，显示器等）之间进行传递文件和显示视频等功能了。
