Synopsys 技術營銷經理 Morten Christensen

簡介

USB4? 是 USB 開發者論壇 (USB-IF) 制定的一種新的連接標準。USB4 支持多種高速接口協議，包括 USB4、DisplayPort、PCI Express 和 Thunderbolt 3，可通過單根 USB Type-C 電纜高效地傳輸數據并同時傳遞數據、電源和高分辨率視頻。USB4 實現高達 40Gbps 的速度，是之前的 USB 3.2 Gen 2x2 標準的兩倍。本文簡要概述了復雜的 USB4 新標準，包括電纜和連接器，以及片上系統 (SoC) 構建塊。如需了解該標準的更多詳細信息，請下載 Synopsys 白皮書，USB4：用戶的期望或 USB-IF 制定的 USB4 規范促使設計變得日益復雜，。

USB4 電纜和連接器

USB4 可以使用與 USB 3.2 相同的無源 Type-C 到 Type-C 電纜，但是電纜長度可能不同。USB 3.2 支持在最長 2 米的電纜上保持 5 Gbps 的超高速，同樣的電纜支持 USB4 達到 20 Gbps 的速度。USB 3.2 支持在最長 1 米的電纜上保持 10 Gbps 和 20 Gbps 的超高速，同樣的電纜也支持 USB4 達到 20 Gbps 的速度。將電纜長度減少到 0.8 米，可以支持 USB4 40 Gbps 的速度。因此，我們預計 USB 3.2 的 1 米電纜將被淘汰，取而代之的是使用新的 USB4 標志的 0.8 米電纜。除 DisplayPort 切換模式外，這些 0.8 米的電纜還適用于 USB 3.2 和 USB4。

USB4 40 Gbps 的電纜長度大于 0.8 米，USB4 20 Gbps 的電纜長度大于 2 米時，需要使用有源電纜。有源電纜的設計很復雜。USB4 營銷指南包含新的端口和電纜圖標，表明支持 USB4。

USB4 主機、集線器、擴展塢和設備

USB4 規范描述了不同 USB4 產品類型的特性和功能。圖 1 顯示了 USB4 雙總線系統架構，其中 USB 2.0(用于向后兼容)與 USB4 分開布線。USB 主機“下游端口”連接到 USB4 集線器、USB 擴展塢(圖 1 中未顯示)和 USB4 設備“上游端口”。其他 USB4 集線器、USB4 擴展塢和/或 USB4 設備的連接就像 USB 2.0 和 USB 3.2 規范中已知的標準 USB 拓撲和設備樹一樣。

圖 1：連接 USB4 主機、集線器和設備(來源：USB4 規范 圖 2-1)

USB4 構建塊

USB4 主機、集線器、擴展塢和設備的描述表明，設計 USB4 產品需要許多不同的構建塊。Synopsys 提供設計 USB4 產品所需的各種 DesignWare? IP。

支持通道多路復用的 USB4 PHY

DesignWare USB4 PHY IP 可在 USB4 主機、USB4 集線器下游端口 (DFP)、USB4 擴展塢 DFP 和某些 USB4 設備應用的高級工藝節點中使用。新思科技 USB4 PHY 可以通過定制 Type-C 輔助 (TCA) 數字cross-bar切換功能，以實現主機應用的通道多路復用，如圖 2 所示。數字交叉開關確保最佳的信號質量，這對于保證 10 Gbps 和 20 Gbps 的數據速率至關重要。Synopsys 還在為某些 USB4 設備應用提供合適的低成本工藝節點的 USB4 PHY。USB4 主機、集線器和擴展塢上用于 DFP 的 USB4 PHY 必須以多種模式運行：USB4、Thunderbolt3、USB 3.x 和 DisplayPort TX 切換模式，如圖 2 所示。

圖 2：復雜的 USB4、USB 3.x 和 DisplayPort (DP) 切換模式在 Type-C 連接器上的使用

支持在 USB4 PHY 中使用 DisplayPort 2.0

DisplayPort 2.0 流量不會通過 USB4 或 Thunderbolt 進行隧道傳輸，因為 USB4 規范僅定義了 DisplayPort 1.4a 隧道傳輸。Synopsys USB4 PHY 支持 DisplayPort 1.4 TX 切換模式，可以根據新發布的 DisplayPort 2.0 切換模式規范進行定制以支持 DisplayPort 2.0 TX。當通過定制支持 DisplayPort 2.0 TX 后，Synopsys 的 USB4 PHY 支持 UHBR10、UHBR13.5 和 UHBR20 數據速率。UHBR20 的四個通道可提供 80 Gbps 的原始數據速率，能夠支持 8K 或甚至 16k 顯示器和電視、高刷新率游戲、高級 AR/VR 和其他高級顯示應用。

用于 AI 加速的 USB4 設備路由器

Synopsys 提供 DesignWare? USB4 設備路由器 IP，該 IP 最初面向的是邊緣和大容量存儲應用的人工智能(AI)加速器。每個 AI 加速器如何與關聯的本地計算和存儲器一起運行，取決于具體實際情況，但是圖 3 展示了一個可能的示例。在 USB4 模式下，這個 AI 加速器使用 USB4 連接到帶有隧道 PCIe 的 PCIe 4.0 嵌入式端點。這種模式使 AI 加速器可以利用連接到主機系統存儲器的低延遲直接存儲器訪問 (DMA) 連接。在 USB 3.x 模式下，該 AI 加速器使用舊版 USB 流(同步)或大量流量連接到 USB 主機。圖 3 還顯示了支持 PCIe 4.0 的定制 USB4 PHY。集成定制的 USB4 PHY 時，可以將 AI 加速器安裝在嵌入式主機中的 PCB 上，或安裝在 PCIe 擴展卡上。

圖 3：用于邊緣和大容量存儲的 AI 加速器使用 USB4 路由器 IP 支持新功能

使用額外的 USB4 構建塊完成 SoC 設計

除了 DesignWare USB4 PHY IP 和 USB4 設備路由器外，Synopsys 還提供 xHCI 增強型超高速控制器 IP，可用于 USB4 主機、USB4 集線器和 USB4 擴展塢產品。此外，Synopsys 還提供用于 USB4 擴展塢和 USB4 設備產品的 USB 2.0 和 USB 3.2 設備控制器 IP，以及用于 USB4 擴展塢和 USB4 設備產品中的舊版 USB 端口的 USB 2.0 和 USB 3.2 PHY IP。對于顯示應用，Synopsys通過使用Synopsys HDCP 2.3嵌入式安全模塊提供支持高清內容保護(HDCP)的DisplayPort 1.4 TX(源)控制器IP 。這種 IP 組合可用于 USB4 主機、USB4 擴展塢和 USB4 設備產品。

Synopsys 還提供 DesignWare USB/DisplayPort 1.4 PHY IP，可與 USB4 擴展塢和 USB4 設備產品使用的舊版 DisplayPort 連接器一起使用。設計人員如果想要推出與眾不同的 USB4 擴展塢設計，可以將 Synopsys HDMI 控制器和 PHY IP 與適合舊版 HDMI 端口的 HDCP 2.3 ESM 安全 IP 一起集成到 USB4 擴展塢或 USB4 設備上。Synopsys DesignWare 用于 USB4 主機的 PCIe 控制器(PCIe 根復合體)IP，用于 USB4 集線器、USB4 擴展塢和復雜 USB4 設備的 PCIe 交換機，以及 PCIe 設備控制器(PCIe 嵌入式端點)，均可用于 USB4 擴展塢和 USB4 設備產品。

總結

用戶的期望促使 USB4 變得日益復雜，消費者希望 USB4 產品能夠同時支持 USB、Thunderbolt 和 DisplayPort 操作模式以及現有產品。根據現有規范精心設計的 USB4 產品也會支持未來的產品。只有未來才能確定 2019 年發布的 USB4 規范是不是最終的 USB 規范、是否會出現 USB4 發展放緩，和/或設計人員將來是否必須面對 USB5。無論如何，滿足用戶“USB 正好合適的”的期望的 USB4 產品設計將會令 USB4 取得成功。

作為 USB 技術和標準的主要貢獻者，Synopsys 的員工為幾乎所有已發布的 USB 標準提出了意見。Synopsys 是世界上最受歡迎和使用最廣泛的 USB IP 供應商，產品符合從 USB 1.1 到 USB4 的所有 USB 標準。敬請聯系 Synopsys，詳細了解我們如何幫助您的下一個設計支持最新 USB4 規范，或啟動需要具有 HDCP IP 支持功能的 PCIe、USB 和/或 DisplayPort 的項目。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的soc 设计soc设计 uml实务手册_采用 USB4 技术升级 SoC 设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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