USB4规范解读(流源君)
USB4规范解读（四）：USB4系统结构通俗讲解
USB4是目前最新的USB接口规范，USB4数据是USB 3.2数据、DisplayPort数据和PCIe数据的集合体。也就是说USB4数据相当于是一个团体组合的名称，对应来看USB 3.2、DisplayPort还有PCIe相当于这个组合的3个成员。
数据的传输可以发生在电脑主机（支持USB4）和外部设备（比如U盘、移动硬盘、固态硬盘）之间，也可以发生在电脑主机和集线器（或扩展坞）之间，以及集线器（或扩展坞）和外部设备之间。集线器和扩展坞是类似的东西，但有所区别。
扩展坞和集线器怎么区分？
集线器就是一个USB口扩展出多个USB口的一种设备，相比较集线器，扩展坞除了可以扩展USB类的外部设备，还可以扩展出HDMI和DisplayPort等视频输出接口以及有线网络等其他接口。扩展坞就像一个船坞，可以收容很多设备。
一、USB4系统简介
电脑主机、集线器（或扩展坞）和外部设备一起就是USB4系统。即USB4所有相互依赖的部分结合成的一个整体叫做USB4系统，USB4系统结构（英文名称USB4 Fabric）包括USB主机，USB4集线器和USB4外部设备中的一个或多个组合。想了解USB4系统的组成以及作用，请参考文章 USB4规范解读（三）：深入了解USB4的系统结构和工作原理。本文在这个基础上继续讲解USB4的系统结构。
上图是USB4系统的组成示意图，下面以USB 3.2数据的传输为例展示USB 3.2数据在USB4系统结构上的传输。
如图所示，红色箭头表示USB 3.2数据通过主机到集线器，再到外部设备发送路径，蓝色箭头表示USB 3.2数据从外部设备到集线器，再到主机的接收路径。
二、USB4系统结构详解
USB 3.2数据、DisplayPort数据和PCIe数据在USB4主机、USB4集线器和USB4外部设备之间的传输可以抽象出下面的模型。
1、隧道协议
将来不同协议的数据整合在一起的方式叫做隧道协议。传输的是隧道数据。USB4隧道指的传输USB4隧道数据的路径，USB4隧道数据指的是USB 3.2数据，DisplayPort数据和PCIe数据整合在一起的一种数据形式。还有常说的USB 3.2隧道，DisplayPort隧道和PCIe隧道分别指的是USB 3.2数据，DisplayPort数据和PCIe数据各自的传输路径。
2、路由器
本文中提到的路由器和我们生活中常说的分出无线网的那种路由器是不同的概念。本文提到的路由器指的是USB4系统结构的一种基本模块，它有两个作用：
- 选择两点之间最佳传输路线
- 通过USB4系统结构传输USB4数据包
路由器分为主机路由器和设备路由器两种，比如具备USB4功能的笔记本电脑就必须有主机路由器，一个USB4接口扩展出多个USB4接口的集线器，还有接收信号视频的DisplayPort显示器以及固态硬盘和移动硬盘这样的外部设备，它们都必须有设备路由器。
USB 3.2、DisplayPort和PCIe就相当于3位乘客，路由器就相当于一个出租车司机，确定出发地和目的地后，选择最佳的行驶路线，将乘客带到指定的位置。
3、适配器
适配器在路由器和外部实体之间提供连接的接口。每个路由器最多包含64个适配器。适配器有三种类型：协议适配器，通道适配器和控制适配器。
3.1、协议适配器
使用协议适配器在支持的本机协议和USB4隧道之间进行转换。
协议适配器有四种类型：USB3适配器，DisplayPort（DP）适配器，PCIe适配器和主机接口（HI）适配器。USB3适配器，DisplayPort适配器和PCIe适配器的作用是将USB 3.2数据、DisplayPort数据和PCIe数据转化为USB4隧道数据，或者将USB4隧道数据分别转化为USB 3.2数据、DisplayPort数据和PCIe数据。
3.2、通道适配器
通道适配器为通道提供接口。USB4端口的每个通道有一个通道适配器。
3.3、控制适配器
路由器包含一个控制适配器。 控制适配器是抽象出来的一个概念，没有物理实体。 控制适配器是针对路由器的控制数据包的最终使用者。 控制适配器还生成控制数据包，这些数据包将发送到连接管理器。
4、时间管理单元
时间管理单元(TMU，Time Management Unit)是每个路由器的功能模块，路由器通过其时间管理单元在整个USB4系统结构中分配和同步时间。数据的传输是有一定的时间延时的，需要分配数据传输的时间，还要有同步的计时。
同步管理单元是为了保证不同的路由器之间传输数据，有一个统一的计时方式。就好像生活中两个人聚会，都是按照北京时间来约定时间的。假如一方隔聚会点较远，一方隔聚会点较近，那么较近的一方就可以评估时间晚一点出发。
5、重定时器
一个USB4产品每个USB4端口最多可包含两个板载重定时器。重定时器的作用是将前一级的信号进行重整之后，传给后一级，具有恢复数据的功能，降低数据传输出错的可能性。
6、连接管理器
连接管理器是负责枚举，配置和管理路由器的软件实体。连接管理器执行诸如路径设置和拆除，热插拔和拔插以及带宽管理之类的任务。 连接管理器是USB4主机系统的一部分。
7、USB4链路
链路指的是一个点到另一个点的一段真实的线路，称为物理线路。中间没有其他的节点。USB4链路指的是互连的路由器的USB4端口之间的连接。下图以USB4主机和USB4设备的连接来说明。
可以直观看到，USB4链路就是红色方框圈出来的部分。即USB4主机和USB4设备的USB4端口分别与USB Type-C母座相连的蓝色连线部分，以及两个USB Type-C母座相连的绿色连线部分，它们一起组成了USB4链路。其中，绿色连线表示的就是两端都是USB Type-C公头的线缆。蓝色连线表示的是USB4主机和USB4设备的USB4端口到USB Type-C母座之间电路板上的线路。
在前面通道适配器介绍里提到，USB4端口的每个通道有一个通道适配器。按照USB4的定义，共有两个通道适配器，分别是通道0适配器和通道1适配器，写作Lane 0适配器和Lane 1适配器。只用一个通道叫单通道模式，用两个通道叫双通道模式。
单通道模式，只用了其中一个通道，另一个通道禁用。
双通道模式，使用了两个通道。 其中，DFP(全称Downstream Facing Port)表示下行端口，默认用在主机接口或者集线器上连接外部设备的接口，支持数据，UFP(全称Upstream Facing Port)表示上行端口，默认用在外部设备或者集线器上连接主机的接口。
USB4端口的边带数据通道用于初始化和管理USB4端口之间的USB4链路。
USB4 DFP的Lane 0、Lane 1适配器与USB4 UFP的Lane 0、Lane 1适配器连接后，传输数据的通道分别被称为Lane 0和Lane 1。这个参照USB Type-C接口来说明。
上图为USB Type-C母座的引脚图，A2/A3和B10/B11组成Lane 1(通道1)，A10/A11和B2/B3组成Lane 0(通道0)，分别受Lane 0、Lane 1适配器控制，来选择采用单通道模式还是双通道模式。A8和B8是两个边带数据通道。
USB Type-C接口公头和母座一样，有Lane 0和Lane 1，也有边带数据通道。
以上对于通道的定义适用于USB4接口传输USB数据和PCIe数据，而DisplayPort数据关于通道的定义不是这样的，参考文章USB4是什么？与USB 3.2有什么差异？中单通道模式和双通道模式介绍，还有DisplayPort通道的定义。
USB4系统结构的主要通信通道就是两个USB4端口互连的USB4链路。USB4链路在路由器之间传输隧道协议流量(单位时间内的数据数量)和管理流量的数据包。USB4端口的边带数据通道用于初始化和管理USB4端口之间的USB4链路。
支持USB4的USB Type-C端口，其完整接口包括USB4端口，USB 2.0数据和 USB Type-C配置通道（CC1和CC2）以及电源/接地（VBUS，VCONN和GND）。其中，VCONN只有USB Type-C公头才有，而且公头的B6和B7是没有使用的。
