[C++知识库]Type-C 接口为什么在不同的协议下带宽不同（引脚定义、协议等）

ThunderBolt 3/4 和 USB Type-C 有什么区别

其实 Thunderbolt 3是一个扩展集解决方案，它包括了 USB 3.1（10Gbps），并在单个 Type-C 接口中增加了 40Gbps 的 Thunderbolt 3/4 和 DisplayPort 1.2，还有PCIe。

也就是说，Type-C 是一个接口类型，而ThunderBolt 3/4 是 USB 的一个超集。

引脚定义

Type-C 接收端接口的引脚定义如下：

针信号 针信号

GND 是地线。
SSTX 和 SSRX 是差分高速线，用于 USB 3.x 或者 TBT/DP 备用模式（Alt-Mode），一共有 4 对。这里的“SS”是 SuperSpeed 的缩写，不过有时候会忽略掉直接叫 TX 和 RX。TX 是 数据发送端，RX 是 数据接收端，一般一个 TX 会连接到另外一个设备的 RX 端，反向亦然。需要注意的是，差分线传输速率和很多原因有关，例如数据处理芯片等
VBUS 是面向上游端口（Power Upstream Facing Port，UFP）供电，也就是对于接到接口上的设备供电，有 2 对。
CC 是 Configuration Channel 的缩写。例如可以用于传输 Power Delivery Protocol 的信号，实现例如 PD 协议。其他功能还有：检测线缆是否插入，检测线缆的方向等。更多信息可以看：https://www.microchipdeveloper.com/usb:tc-pins
D+/D- 是 USB 2.0 传统信号，也用于 USB 3.x，有 2 对。需要注意的是，如果是呼叫方（就是发送端），只有 a6 和 a7 两个会被使用，但是接收方 a6、a7、b6、b7 都会使用，如下（下图是一个被动线缆的公头插到一个PCB上的母口）：

SBU 是 Sideband Use 的缩写，USB 不会使用这两个接口，仅被用于备用模式（Alt-modes）。SBU 在 DP Alt 模式时，会作为 DP 协议中 AUX_P/AUX_N 差分线(它的极性是可以根据正反插方向修改的)，负责传输设备的 DPCD，EDID 等关键信息。

看上图可以发现，CC2 的引脚在发送端 VCONN，被用于电子标记电缆供电（Plug power）。CC1 和 CC2 都需要支持 CC（Configuration Channel）和 VCONN。

在技术意义上来说，Type-C 是分正面的，虽然用户插入的时候不分正反面，但是接口自身其实是分的。更多详情查看：https://www.microchipdeveloper.com/usb:type-c

USB 数据流

USB 3.0 全名是Super Speed USB，最高支持 5 Gbps。（USB 3.0 现在也被叫做 USB 3.1 Gen 1）
USB 3.1 全名是 SuperSpeed Plus USB，最高支持 10 Gbps。（USB 3.1 现在也被叫做 USB 3.1 Gen 2）
这二者的数据信号是一样的：

• D+ 和 D- 差分半双工信号
• 两对全双工差分信号（SSTX-、SSTX+和SSRX-、SSRX+）

除了 USB 3.1 控制器支持的速率更高之外，还有一个不同之处在于全双工模式下编码不同：USB 3.0 是 8b/10b；USB 3.1 是 128b/132b。
简单来说：8b/10b 表示将 8 bit 的数据映射到 10 bit 上，支持编码流中 0 和 0 的均衡传输，还可以检测传输错误，损耗带宽 20%。128b/132b 也是一样的意思，只不过损耗降低到约 3%。
8b/10b 的实现和高速传输可以看这篇论文：《8B/10B Encoding and Decoding for High Speed Applications》

关于 USB 更多内容和对比可以看这篇文章：Understanding the USB 3.1 protocol

这里有个 PPT 有个不错的相关演示和总结：《TypeC (USB3.1/3.0) Introduction and Test solution》

DisplayPort 数据流

在 USB-C 的 DisplayPort Alt Mode 下（其他各种模式在 ThunderBolt 部分介绍）会占用 1、2 或者所有 4 对高速差分线。然后就要提到一个新的概念：HBR（DisplayPort High Bit Rate）。
HBR 决定了 DP 占用的每个高速差分线上的带宽。

• HBR 的带宽是 2.70 Gbps。
• HBR 2 的带宽是 5.40 Gbps。
• HBR 3 的带宽是 8.10 Gbps。
• UHBR 10 的带宽是 10.00 Gbps。
• UHBR 13.5 的带宽是 13.50 Gbps。
• UHBR 20 的带宽是 20.00 Gbps。

举个例子，DP 1.2 支持最高的是 HBR 2，所以最大带宽也就是 21.6 Gbps（5.40 Gbps x4），使用 8b/10b 编码，四通道最大数据速率也就是 17.28 Gbps。而 4k 60hz 10bit 每秒需要的带宽约为 14.93 Gbps，快占满了。所以 DP 1.2 最高支持 4k60hz。

HBR 版本取决于输出设备。例如 Intel 的核显从 Tiger Lake 开始才支持 HBR 3，这也是为什么例如 12600K 之类的新核显 CPU 支持的 DP 输出最大为 7680x4320@60hz，而 HDMI 都还是 4096x2160@60hz。

Dell 的这个文件说明了 Dell 支持 HBR 3 的设备：https://www.dell.com/support/kbdoc/zh-cn/000183937/dell-systems-support-hbr3-specifications

这里有个不错的 DP 的介绍和表格，讲的蛮清楚的：《DisplayPort Interface- What is DP?》

全功能 Type-C

在一根 Type-C 的线连接笔记本和 4K 显示器的时候，可能会遇到选择使用最高 4K 60hz 和 USB 2.0，还是使用最高 4K 30hz 和 USB 3.1（10 Gbps）的情况。这是为什么呢？

前文提到，USB 3.x 只用到 2 对高速差分线和 D+ 和 D- 差分半双工线，可以达到 10 Gbp 的速率。这样高速差分线就剩 2 对。 而 DisplayPort Alt Mode 可以占用 1/2/4 对高速差分线，那么也就刚好占用仅剩 2 条高速差分线，两条高速差分线可以在 HBR 2 下实现 10.4 Gbps 的带宽。但是这满足不了 4k 60hz 10bit 每秒需要的带宽（约为 14.93 Gbps），所以只能实现 4k 30hz 10bit（约为 7.47 Gbps）。
这也是为什么 USB Type-C 单线只能做到 4k 30hz 10bit 和 USB 3.1 Gen2（10 Gbps）。

如果想要达到 4k 60hz 10bit，那么就得占用全部的 4 条高速差分线，那么 USB 就只能使用 D+ 和 D- 这两条差分半双工线，而这只能做到 USB 2.0。

所以想要 4k 60hz 10bit，那么 USB 只能有 USB 2.0。

ThunderBolt 3/4

首先需要知道，ThunderBolt 是双向双协议（PCIe 和 DisplayPort）。一个ThunderBolt 控制器会连接 4 条 PCIe 通道（最少 2 条），以及对应端口数量的 DP 数量（例如两个 ThunderBolt 接口，那么从视频输出设备，例如 CPU 核显或者间接通过 PCH，就会有两条 DP 线路连接到 ThunderBolt 控制器，一个 DP 线路占 4 条高速差分线）。

苹果有一个不错的文档来介绍 ThunderBolt 控制器的运行原理，可以看看：《Thunderbolt Technology Overview》
官方也有两个 PPT 来介绍 ThunderBolt 3，包括 ThunderBolt 3 控制器的运行原理：《ThunderBolt Update》和《ThunderboltTM 3 Technology and USB-C》

ThunderBolt 3/4 会用上全部的 4 对高速差分线。但是不同模式下，信号分配的不同。

• ThunderBolt Alt Mode（ThunderBolt 备用模式）：使用支持 ThunderBolt 的线缆和设备之后，ThunderBolt 控制器将会在两个方向上各分配 2 对高速差分线，以此来创建两个完整的双工双向 40 Gbps 的通道（也有两个 ThunderBolt 3 端口共用一个 ThunderBolt 控制器的，或者带宽限制，这样一个接口的带宽只有 20 Gbps）。
• USB Only Mode（仅限 USB 模式）：对于不支持 ThunderBolt 的 USB 设备或线缆，ThunderBolt 端口会激活 USB 控制器来支持 USB 3.x 或 2.0 信号。
• DisplayPort Alt Mode（DisplayPort 备用模式）：当 DisplayPort 接口的显示器或适配器插入 ThunderBolt 接口时，控制器激活 DisplayPort Alt 模式。在这个模式下，4 对高速差分线会被指向同一个方向（也就是8 条线路），以此来支持高分辨率的输出（ThunderBolt 4 支持 DisplayPort 2.0，也就是最高 UHBR 20，最高带宽可以达到 80 Gbps（不算编码损耗），可以支持 3 台 10k 或者 1 台 16k 的显示器；ThunderBolt 3 支持 DP 1.2，也就是最高 HBR 2，最高带宽也就是 43.2 Gbps（不算编码损耗），可以支持 2 台 4k 60hz 10bit、1 台 4k 120hz 或者 1 台 5k 60hz的显示器）。
• USB/DP Combo Mode（USB/DP 混合模式）：在这个模式下，控制器会自动调整 USB 和 DisplayPort 占用的通道，二者共同占用 4 对高速差分线。这是因为如此，支持雷电接口的显示器才可以做到 4K 甚至是 5K 60hz 的同时，还支持至少一个 USB 3.1 和千兆网口。

ThunderBolt 3 和 4 区别

如果查阅的话，会发现 ThunderBolt 4 与 3 相比有两个重大更新：

• 支持 DisplayPort 2.0（也就是说，支持 UHDR 20 了，这样 DP 带宽最高可以达到 80 Gbps，并且由于编码改为 128b/132b，损耗也更低了）
• 最低 PCIe 数据要求从 16 Gbps 增加到了 32 Gbps。

前者很容易理解，后者解释一下。首先需要知道 ThunderBolt 控制器和 PCIe 的关系。

一个 ThunderBolt 控制器至少要连接 2 条 PCIe 通道，最高 4 条。
为了性能最佳肯定是 4 条好，但是为什么要有两条的情况呢？
个人猜测，这是因为有些设备上 CPU 的 PCIe 通道不够用，所以不能强制每个 ThunderBolt 控制器都连接 4 条 PCIe 通道，从而来一一对应每条高速差分线。
比如 9900K 只有 16 条 PCIe 3.0，通过 DMI 3.0 连接芯片组（Platform Controller Hub，PCH），DMI 3.0 带宽只有 8 GT/s，相当于 4 条 PCIe 3.0（32 Gbps）。PCH 再扩展出 24 条 PCIe。
CPU 的这 16 条 PCIe 3.0 极少被用于连接 ThunderBolt 控制器。因为独立显卡、NVMe 硬盘、多余扩展 PCIe 插槽会占用完这部分。
再来看 PCH 部分，DMI 3.0 带宽只有 32 Gbps，而且要和声卡、网卡、无线网卡、硬盘等等设备共享带宽。所以通过 4 条 PCIe 接在 PCH 的 ThunderBolt 控制器虽然理论上可以达到 32 Gbps的带宽，但是极有可能会受 DMI 3.0 的带宽限制，很大的可能甚至会低于 2 条 PCIe 带来的 16 Gbps 带宽。而且因为多一步传递，延迟会高很多。
所以只有 Mac 和极少的 PC 上，ThunderBolt 控制器才会直接连接到 CPU。那么这部分设备的带宽比较稳定，也比较高，延迟也低。

那么 ThunderBolt 3 最低 PCIe 总带宽也就是 2 x 8 Gbps，也就是 16 Gbps，这也就是半速 ThunderBolt 3，一般标注带宽为 20 Gbps。连接了 4 条 PCIe 3.0 的带宽为 32 Gbps，也就是全速 ThunderBolt 3，一般标注带宽为 40 Gbps。

这里说明一下 ThunderBolt 的 20 Gbps 和 40 Gbps 的含义，这个含义并不是 PCIe 的带宽就是 20/40Gbps。而是传输任何类型的数据综合起来的一个最低带宽，包括视频信号、数据传输。
比如说 DP HBR2 模式下，4 条通道一共带宽就是 21.6 Gbps，两个显示器也就是 43.2 Gbps。
Dell 说实际 PCIe 带宽或者数据传输带宽只有 7-22 Gbps，而且是官方限制的）。另外在论坛上看到了相同的言论，只是说明了原因——因为有些控制器支持两个输出接口，所以留了 10 Gbps 给 USB 3.1 Gen 2。

也就是说 ThunderBolt 3 哪怕给了 4 条 PCIe 通道，直接连接在 CPU 上，也只能跑到 22 Gbps 左右。
ThunderBolt 4 的提升主要就是因为把最低 PCIe 带宽强制限制在 32 Gbps，这样对很多外接 PCIe 设备来说提升很多（而且可能移除了那 10 Gbps 的预留）。

需要注意的是，这个提升只是强制的，并不是因为 PCIe 升级了。
因为 Intel 从 Tiger Lake 开始就直接把 ThunderBolt 3/4 控制器放入 CPU 中，不占用任何可分配的 PCIe 通道。这样 Tiger Lake 的 ThunderBolt 3 就可以完整的使用 4 条 PCIe 3.0 的带宽了，也可以达到 32 Gbps。
而且如果查阅 ThunderBolt 4 的外置控制器，例如 Intel? JHL8540 Thunderbolt? 4 Controller，会发现其是 PCIe 3.0 x4，如下图所示：

哦对这里还有一个帖子，里面介绍了一些显卡通过 ThunderBolt 连接的损耗：eGPU Performance Loss - PCI Express vs. Thunderbolt

希望可以帮到有需要的人～