USB從1994年的內(nèi)部版本到現(xiàn)在的USB4經(jīng)歷了20多年，隨著USB傳輸協(xié)議的不斷升級，數(shù)據(jù)傳輸速度也是成倍的增加。大家可能對USB傳輸協(xié)議不太了解，所以我們先來說一下什么是USB傳輸協(xié)議。
上圖就是我們常見的USB接口，里面有幾根銅線用來傳輸數(shù)據(jù)，但銅線只是導電的線纜，并不能直接傳輸我們想要的數(shù)據(jù)。這時候就需要傳輸協(xié)議的幫助。這就跟我們交流是一樣的，如果沒有語言，僅靠一張嘴亂說一通，誰也聽不懂你的意思。
在USB的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中，芯片會根據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容對USB接口里的電壓進行控制，通過控制電壓變化來達到傳輸數(shù)據(jù)的目的，比如：傳輸520這個數(shù)字，協(xié)議會將520轉(zhuǎn)變成1000001000這樣的二進制編碼，然后芯片只需要通過控制電壓高低，來表示0和1，就能傳輸數(shù)據(jù)了。
當然上面的例子只是我們最容易理解的方式，實際上USB使用的是NRZ-I（No Return Zero-Inverse）非歸零反向編碼方式，電壓如果變化一次就表示一個“0”，電壓如果沒有變化就表示“1”，按照這樣的規(guī)則我們就能把數(shù)據(jù)變成電信號，從而進行數(shù)據(jù)傳輸，這就是通信傳輸協(xié)議。
我們通常所說的USB2.0、USB3.0、雷電3、USB4等就是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它就像溝通用的語言，是我們看不見摸不著的東西。而各式各樣的USB接口則是我們制造出來的真實存在的東西，由多根導線組成，用來導電作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。在USB1.0 — USB2.0 時代，接口形狀有很多。USB2.0協(xié)議速度還是比較慢的，當時的USB接口都是4根線的，最外面的兩根負責給鼠標、鍵盤、手機之類的東西供電，中間兩根負責傳輸數(shù)據(jù)。其中我們最常見的是USB Type-A、Mini-B和Micro-B。
Type-A是比較常見的接口
Mini-B出現(xiàn)的時候，手機還比較厚，它大多被用在早期的非智能手機和mp3上。
Micro-B又被稱為Android口，它比Mini-B更小更薄，因此被廣泛應用在前些年的安卓智能手機上。
隨著人們對數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來越高，對充電速度要求越來越快。傳統(tǒng)的只有4根線的接口已經(jīng)不能滿足人們的需求。所以在2008年經(jīng)過全新設計的USB Type-A、Type-B和Micro-B伴隨著速度更快的USB3.0傳輸協(xié)議一起問世，這種新的接口在原來4根線的基礎上新增了5根線，這樣搭配USB3.0協(xié)議就能有更快的傳輸速度，為了與舊接口進行區(qū)分，新型接口把內(nèi)部設計成了藍色。
雖然新型接口傳輸速度更快，但是由于多出了5根線，所以新型的Micro-B比老接口多出了一節(jié)，變得更長，這在內(nèi)部空間寸土寸金的移動設備上格外致命。因為它不僅更占用設備內(nèi)部空間，而且更容易損壞，所以這么多年過去，這種接口依然沒有被普及。它普遍用于對空間要求沒那么高的USB3.0的移動硬盤上，而當時大部分的安卓手機依然采用之前4根線的老式Micro-B接口，同期特立獨行的蘋果則給iphone搭載了新型的Lighting接口，Lighting接口有8根線，數(shù)據(jù)傳輸更快，還支持正反插，關(guān)鍵是體型還非常小，比同時期安卓手機上的Micro-B接口要強很多。安卓手機急需一種更強大更優(yōu)秀的接口來挽回顏面。終于，USB Type-C接口于2014年問世。
Type-C接口共有24根線，能提供40Gbps的傳輸帶寬，還能提供20V-5A共計100w的充電功率，外面一層金屬保守殼不僅起到抗干擾的效果，而且還支持正反插，它除了比蘋果的Lighting大一點點，其他各方面都要比Lighting強大。雖然Type-C這個接口非常優(yōu)秀，但是俗話說好馬要配好鞍，Type-C要搭配更厲害的傳輸協(xié)議才能發(fā)揮它全部的實力。
由于Type-C接口非常強，所以它支持多種協(xié)議，比如雷電3協(xié)議以及傳統(tǒng)的USB2.0、USB3.0協(xié)議，還有用于快速充電的QC協(xié)議、PD協(xié)議，以及連接顯示器用的HDMI協(xié)議、DP協(xié)議等，因此可以說Type-C是一種萬能的接口。
話到這里就不得不說一下雷電3協(xié)議了！雷電3協(xié)議是Intel和蘋果公司共同研發(fā)，支持40Gbps帶寬和100w的供電功率。它能做的事情非常多，比如同時接2臺4K 60Hz的顯示器，搭配雷電3擴展塢，一個小小的雷電3接口就能同時接網(wǎng)線、顯示器、鼠標鍵盤、耳機、U盤、移動硬盤、內(nèi)存卡等等，搭配顯卡擴展塢還能外接高端顯卡。
2019年9月，USB Promoter Group 發(fā)布了 USB4 規(guī)范標準，這標志著USB傳輸行業(yè)進入一個新的高度。USB4協(xié)議的大部分內(nèi)容來源于雷電3協(xié)議，通過用戶友好的、健壯的線纜和連接解決方案，提供結(jié)合數(shù)據(jù)、顯示和電力傳輸?shù)淖罴延脩趔w驗，下面我們一起看看USB4帶來了哪些不一樣的表現(xiàn)。
USB4新功能三大重點
01
USB4 只采用USB Type-C接口，USB4信號采雙通道傳輸，傳輸速度最快支援40G (20Gbps x2)；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。
02
USB4可同時支持數(shù)據(jù)傳輸和DisplayPort 影音傳輸協(xié)議，旨在將多種協(xié)議組合到單個物理接口，可以動態(tài)共享USB4 架構(gòu)的整體速度和性能。
03
USB4向下兼容USB 2.0 、USB 3.2和Thunderbolt 3。
USB4重點架構(gòu)
USB4 主要構(gòu)成元件有路由器(Router) ，適配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，時間管理單元)。
01
路由器是USB4 的一個主要建構(gòu)模塊，路由器將隧道協(xié)議轉(zhuǎn)換成USB4 封包傳送，并通過TMU來時間同步。主要由USB Host 內(nèi)建的Connection Manager 來偵測及管理。
02
適配器內(nèi)建在路由器里，主要作為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。例如USB4 Host在傳輸USB3 資料，由內(nèi)部USB3 Host 透過USB3 Adapter 進行協(xié)定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個路由器內(nèi)部最多可以支援64個適配器。
03
TMU 內(nèi)建在路由器里，使用分布式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。
USB4產(chǎn)品類型
01
USB4 Host：產(chǎn)品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。
02
USB4 Hub：產(chǎn)品有一個UFP，并且有一個或多個DFP。
03
USB4-Based Dock：產(chǎn)品有一個UFP，并且有一個或多個DFP，且產(chǎn)品內(nèi)還有其他元件的功能，如儲存裝置或網(wǎng)絡功能。
04
USB4 Device: 產(chǎn)品有一個UFP，沒有任何的DFP。
USB4支持的隧道協(xié)議
依據(jù)規(guī)格，對Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協(xié)議各自有不同要求，如下圖，標“Ｖ”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。
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。
USB4支援的傳輸速率
USB4 能支援20Gbps 以及40Gbps 的速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援這兩個速度？
對USB4 Hub 與USB4-Based Dock 來說，必須同時支援20Gbps 及40Gbps。
對USB4 Host 與USB4 Device 來說，可以只支援20Gbps（40Gbps 可列為額外支援，非必要支援速度）。
綜合上面的介紹，可以知道USB4 傳輸速率提升到40 Gbps，并且可以動態(tài)分享頻寬，使用一條USB Type-C 連接線就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 產(chǎn)品，對于消費者來說更加便利。但對于產(chǎn)品開發(fā)者來說，USB4 是一個比較大的挑戰(zhàn)，除了產(chǎn)品設計和以往USB3 的產(chǎn)品在架構(gòu)上的差異，加上高頻信號在PCB 及連接器上的衰減，須更關(guān)注高頻阻抗匹配，在開發(fā)階段確保傳輸?shù)男盘柶焚|(zhì)。
