Universal Serial Bus 4 (USB4™) - Designdetails und allgemeine Anforderungen

Artikel
06/15/2023

Zusätzlich zu den definierten Anforderungen der Spezifikation sind einige der Anforderungen auf hoher Ebene im Design und der Benutzeroberfläche enthalten.

Geräte, die über USB4 (USB 3.x, PCIe und Display) tunnelt werden, sollten genauso funktionieren, wie sie es systemisch wären. Es sollten keine Softwareänderungen an den Protokollstapeln erforderlich sein, und es sollte transparent sein, dass sie über USB4 tunnelt werden.
Partner sollten sicherstellen, dass ihre USB-Hardware (z. B. Systeme, Hubs, Kabel und Zubehör) mit anderen USB-Hardware auf dem Markt oder bereits auf dem Markt betrieben werden kann. Wir empfehlen die Teilnahme an Interoperabilitäts- und Complianceereignissen, die vom Universal Serial Bus-Implementers Forum (USB-IF) gehostet werden.
Für Systeme mit mehreren USB-C-Ports® empfiehlt Microsoft dringend, dass sie USB4 unterstützen, um eine konsistente Benutzeroberfläche bereitzustellen.
Thunderbolt™ 3-Kompatibilität ist pro Kapitel 13 der USB4-Basisspezifikation und usb Type-C-Connector® und Kabelspezifikation erforderlich. Der Windows USB4-Verbindungs-Manager-Treiber soll Thunderbolt™ 3-Peripheriegeräte unterstützen, die an den USB4-Host angeschlossen sind.
Für die erste Version des USB4-Verbindungs-Managers auf Windows 11 werden Add-In-Karten nicht unterstützt.
Ausführliche Anforderungen finden Sie im USB4 Hardware Lab Kit (HLK) für das Windows-Hardwarekompatibilitätsprogramm.
Die erste Version des USB4-Verbindungs-Managers erfordert, dass die Host- und Geräterouter die USB4-Spezifikation unterstützen und gemäß dem Leitfaden zum USB4-Verbindungs-Manager (Rev 1.0rc) implementiert werden. Zusätzlich zu anderen ECNs müssen Hardwareimplementierer sicherstellen, dass sie die folgenden ECNs überprüft haben, da sie für den USB4-Verbindungsmanager von hoher Bedeutung sind. Dies soll keine vollständige Liste der erforderlichen ECNs sein. Diese Dokumente finden Sie im USB4-Spezifikationsdownload.
- USB4 1.0 ECN – Änderung in ISC und ISS Registriert Address.pdf
- USB4 1.0 ECN - DROM Base Address.pdf
- USB4 1.0 ECN – Router bereit Bit.pdf
- USB4 1.0 ECN – HI-Speicher order.pdf
- USB4 1.0 ECN - Host Router State Machine.pdf
- USB4 1.0 ECN – Ändern von C3S Bit Polarity.pdf
- USB4 1.0 ECN - Pufferzuweisungsanforderung Operation.pdf
- USB4 1.0 ECN - DP BW Allocation.pdf*
  
  *DP-Bandbreitenzuweisung ECN ist in seiner Gesamten nicht erforderlich. Nur die Verbindungs-Manager-ID, die Adapternummer und die TopologyID-Features des ECN werden derzeit vom Windows USB4-Verbindungs-Manager in seinem Grafik-Power Management-Schema verwendet. Ausführliche Informationen finden Sie unter Grafiktreiberanforderungen.

Hinweis

Einige Implementierungsdetails des Verbindungs-Managers werden zur Unterstützung des Debuggens bereitgestellt. Sie sollten keine Abhängigkeiten zu Implementierungsdetails ergreifen.

USB-Typ-C-Anforderungen®

Der Windows USB4-Verbindungs-Manager verfügt nicht über Softwareabhängigkeiten auf dem USB-Typ-C-Softwarestapel®. Beispiel: UCMCx, UCSICx usw. Die Host-Router und Geräterouter müssen den Anforderungen folgen, die in der neuesten USB-Typ-C-Verbindungsspezifikation® für USB4-Ermittlung und -Eintrag beschrieben sind.

USB4-Geräte können eine USB-Schnittstelle über eine USB-Billboard-Geräteklasse bereitstellen, wenn sie nicht als USB4-Gerät verbunden werden kann. Windows stellt Benutzern eine Benachrichtigung vor, wenn das Billboardgerät erkannt wird, das angibt, dass die Gerätefunktionalität möglicherweise eingeschränkt ist.

BIOS zum Betriebssystemhandoff

Ohne eine Hardwareschnittstelle für USB4-Hostrouter zurücksetzen implementiert Windows USB4-Verbindungs-Manager eine Hostrouterkonfigurationsbereinigung, die einen hardwaregesteuerten Hostrouterrücksetzung emuliert. Das Ziel der Hostrouter-Konfigurationsraumbereinigung besteht darin, die Konfigurationsraumwerte zurück in die Standardeinstellung zu bringen, wenn ein Vorabstartverbindungs-Manager (UEFI CM) ausgeführt wird, bevor windows USB4-Verbindungs-Manager ausgeführt wird. Dies ist möglich, wenn ein UEFI-Verbindungs-Manager vor dem Kaltstart ausgeführt wird oder von der Hibernate (S4) fortgesetzt wird.

Der Windows USB4-Verbindungs-Manager bietet Bandbreitenverwaltungsfunktionen, um die Überschreibung eines USB4-Links zu verhindern. Maximal 90 Prozent der USB4-Linkbandbreite können für USB 3.x (isochronous), PCIe- und DisplayPort-Datenverkehr™ explizit zugewiesen werden, unterteilt nach der vom Verbindungs-Manager implementierten Bandbreitenfreigaberichtlinie.

Wenn ein Geräterouter aufgezählt wird, wird die Kapazität der USB4-Verbindung in vor- und nachgelagerten Richtungen bestimmt, was beispielsweise zu einer berechneten Verbindungsrate von 10 Gbps, 20Gbps oder 40Gbps führt. Die verfügbare Kapazität des Linkes wird dann als 90 Prozent dieser Verbindung berechnet. Im Beispiel wäre 90 Prozent 9Gbps, 18Gbps oder 36Gbps, bzw. 36Gbps.

Hinweis

Für Thunderbolt™ 3-Links gelten die folgenden Beschreibungen von USB 3.x & PCIe-Berechnungen nicht. Die vollständige Bandbreite ist für DisplayPort-Tunnel™ verfügbar.

Die Bandbreite des Links wird zunächst beiden USB 3.x & PCIe zugewiesen. Diese kombinierte USB 3.x & PCIe-Bandbreite ist unterteilt 2/3 auf USB 3.x und 1/3 auf PCIe. Der USB 3.x-Teil dieser Bandbreite wird auf den USB 3.x-Hostcontroller für isochrone Verwendung, über einen Handshake-Prozess, bei dem der CMR-Bit im USB 3.x-Adapterkonfigurationsraum festgelegt ist, und der USB4-Verbindungsmanager wartet auf eine Bestätigung vom USB 3.x-Hostcontroller, bevor die verfügbare Bandbreite programmiert wird. Die maximale USB 3.x-Bandbreite wird wahrscheinlich auf die USB 3.x-Linkrate (10Gbps/20Gbps) beschränkt, die bei der Berechnung der Bandbreitenzuweisung berücksichtigt wird.

Zuordnungsmodus für die DisplayPort™-Bandbreite (DP BW)

Ab Windows 11, Build 22621.1344 (KB5022913) und auf Systemen, die den in der USB4-Spezifikation definierten Zuordnungsmodus für die DisplayPort™-Bandbreite unterstützen, ermöglicht der USB4-Verbindungs-Manager die dynamische Zuordnung der DisplayPort™-Tunnelbandbreite. Dieses Feature ermöglicht eine effizientere und dynamischere Nutzung der für DP-Tunnel verfügbaren Bandbreite durch Abstimmung mit dem Grafikstapel im System, um die Bandbreite zwischen allen Tunneln optimal aufzuteilen.

Beim Erstellen eines DP-Tunnels versucht der USB4-Verbindungs-Manager zunächst, Bandbreite für den Tunnel basierend auf den angegebenen Funktionen der DP IN- und DP OUT-Adapter zu reservieren, die den Tunnel bilden. Wenn keine ausreichende Bandbreite verfügbar ist, wird die anfängliche Reservierung wie bei Tunneln ohne DP BW-Zuordnungsmodus reduziert.

Der Verbindungs-Manager prüft dann, ob der DP BW-Zuordnungsmodus für den DP-Adapter unterstützt wird, wenn der Tunnel erstellt wird. Wenn der DP BW-Zuordnungsmodus unterstützt wird, wird er für den DP IN-Adapter aktiviert. Die gesamte verfügbare Bandbreite (einschließlich der zuvor reservierten Bandbreite) wird in die Registrierung „ESTIMATED_BW“ des Adapters geschrieben, und die zugewiesene Bandbreite wird mit „0“ in die Registrierung „ALLOCATED_BW“ des Adapters geschrieben.

Sobald der DP-Tunnel erstellt wurde, führt jede Änderung der verfügbaren Bandbreite für den Tunnel (aufgrund anderer DP-Tunnel oder anderer Bandbreitenvorgänge) dazu, dass der USB4-Verbindungs-Manager die Registrierung „ESTIMATED_BW“ des DP IN-Adapters aktualisiert, um ihn über die zusätzliche oder reduzierte Bandbreite zu informieren, die für ihn verfügbar ist.

Nachdem der Tunnel erstellt wurde, sendet der Grafiktreiber eine Benachrichtigung, um die genaue Bandbreite anzufordern, die zur Unterstützung der ausgewählten Auflösung, Aktualisierungsrate, Bittiefe usw. des getunnelten Monitors vom USB4-Verbindungs-Manager erforderlich ist.

Danach kann der Grafiktreiber aufgrund von Änderungen der Monitorleistungsanforderungen zusätzliche oder reduzierte Bandbreite anfordern. Wenn vom USB4-Verbindungs-Manager zusätzliche Bandbreite angefordert wird, versucht der Verbindungs-Manager möglicherweise, die USB3 zugewiesene Bandbreite für die für den Tunnel freigegebenen Verbindungen wieder freizugeben. Der USB4-Verbindungs-Manager aktualisiert dann den DP IN-Adapterkonfigurationsraum mit den Ergebnissen des Vorgangs und allen Änderungen der verfügbaren und/oder zugewiesenen Bandbreite.

Systeme ohne Unterstützung für den DisplayPort™-Bandbreitenzuordnungsmodus

Auf Systemen ohne Unterstützung für das in der USB4-Spezifikation definierte Feature für den DisplayPort™-Bandbreitenzuordnungsmodus wird die DisplayPort™-Bandbreite (DP) dann in der Reihenfolge der Zuordnungsanforderungen zugewiesen. Wenn ein DP-Tunnel erstellt wird, untersucht der USB4-Verbindungs-Manager die verwendete Bandbreite für andere DP-Tunnel und fragt den USB 3.x-Hostcontroller ab, um festzustellen, wie viel Bandbreite derzeit für isochronen Datenverkehr verwendet wird, indem der beschriebene Handshake-Prozess verwendet wird. Wenn Bandbreite verfügbar ist, wird sie in ausreichender Menge für den DP-Tunnel zurückgefordert, der basierend auf den Funktionen des DP IN- und DP OUT-Adapters bestimmt wird, die den Tunnel bilden.

Wenn keine ausreichende Bandbreite vorhanden ist, um die Funktionen des DP IN/OUT-Adapterpaars zu erfüllen, werden DP-Funktionen maskiert, um die verfügbare Bandbreite zu erfüllen, was möglicherweise zu einer niedrigeren als der nativen maximalen Auflösung für den DP-Tunnel führt. Wenn genügend Bandbreite nicht verfügbar ist, um die niedrigste DP-Konfiguration zu erfüllen, ist der DP-Tunnel fehlgeschlagen. Wenn keine ausreichende Bandbreite für die höchste häufige Konfiguration vorhanden ist, und es gibt zuvor erstellte DP-Tunnel, für die die Bandbreite nach der Umfrage nicht veröffentlicht wurde, wird die Erstellung eines neuen Tunnels beendet, bis die Bandbreite möglicherweise von dem vorherigen Tunnel freigegeben wird.

Sobald ein Tunnel erfolgreich erstellt wurde, wird der Verbindungsmanager den DP IN-Adapterkonfigurationsbereich abfragen, bis allgemeine Funktionen (die tatsächliche Bandbreite für das Ausgabegerät erforderlich sind) verfügbar sind. An diesem Punkt wird es, wenn übermäßige Bandbreite zugewiesen wird, wieder in den kombinierten USB 3.x & PCIe-Bandbreitenpool freigegeben und auf den USB 3.x-Hostcontroller neu programmiert.

Sicherheitsüberlegungen

Deaktivieren des PCIe-Tunnelings

Als Sicherheitsfeature bieten Sie möglicherweise die Möglichkeit, PCIe-Tunneling mithilfe der _OSC für USB zu deaktivieren. Der Windows USB4-Verbindungs-Manager erstellt keine PCIe-Tunnel, wenn pcIe-Tunnel deaktiviert sind. Darüber hinaus kann die Thunderbolt 3-Geräterouter möglicherweise nicht aufgezählt werden, da in Abwesenheit von PCIe-Tunneling in™ Thunderbolt™ 3 USB-Funktionen, die vom PCIe-Aufzählungs-USB-Hostcontroller angeboten werden, ebenfalls betroffen sind.

Ziehen Sie die Deaktivierung von Thunderbolt™ 3-Alternativmodus in Betracht, wenn PCIe-Tunneling deaktiviert ist. Dadurch kann ein Thunderbolt™ 3-Router oder Dock auf USB 3.x-Betrieb und (DP)-Alternativmodus zurückfallen.

DMA-Neuzuordnungsrichtlinie für den USB4-Hostrouter

Um die Auswirkungen auf ungültige DMA-Zugriffe zu beschränken, ist die DMA-Remapping für das USB4-Hostroutergerät aktiviert. Die DmaRemappingCompatible Einstellung ist auf 1 festgelegt, sodass die DMA-Neuzuordnungsrichtlinie immer für den Hostrouter aktiviert ist.

USB4 HLK-Anforderungen

Im Folgenden finden Sie eine vollständige Liste der USB4-Anforderungen.

Device.BusController USB4-Anforderungen

System.Fundamentals USB4-Anforderungen

Weitere Informationen

Thunderbolt ist eine Marke der Intel Corporation oder ihrer Tochtergesellschaften.

"USB4™" ist eine Marke des USB Implementers Forum und ist nur für die Verwendung mit Produkten vorgesehen, die auf der USB4-Spezifikation™ basieren und konform sind.