AMD AM5 X870E / X870 的 USB 2.0 好像更難懂？

眾所周知 AMD 在 X870E 與 X870 這兩款新平台上強行綁定 USB4 連接。由於 RYZEN 9000 CPU 的 I/O DIE 沿用上代 (RYZEN 7000) 設計，板廠必須使用第三方 USB4 控制器晶片並透過 PCI-E 通道連接起來。華碩現已公開自家 X870E / X870 主機板的規格，還提供更詳細的資訊讓人參透箇中做法。筆者看了兩三天了，越看越困惑，以下見笑了。

AMD X870E / X870 USB4 方案代價不菲

據筆者理解，AMD 在設計 AM5 之初，本希望利用 CPU 提供 USB4 連接。可惜因為一些原因，RYZEN 7000 的 I/O DIE 並未能提供 40 Gbps USB4。故 AMD 打算改用 PCI-E 通道外接 USB4 控制器提供 USB4 連接。以筆者理解，當時 AMD 由此至終都打算由 CPU 提供 USB4，哪怕是外接方案。(UH報導 1 和 2)

現實中，板廠們在 AM5 平台上提供 USB4 的做法，卻有些出入。在 X670E 平台上，只有華碩和華擎有提供 USB4 連接，所使用的 USB4 控制器是 INTEL 的 JHL8540 THUNDERBOLT 4 控制器。華碩當時決定利用晶片組的 PCI-E 通道連接該 JHL8540，華擎則使用 CPU 的 PCI-E 通道連接 JHL8540。

既然都是外接方案，而且 CPU 和晶片組都有 PCI-E 通道，連哪裡應該沒差更別說晶片組的擴展本身來自 CPU。可是 USB4 或是 THUNDERBOLT 4，其中一大功能是影像輸出，而影像相關的通道，就只存在於 CPU 裡。所以 AMD 當初的如意算盤，應該是像現在的 RYZEN 8000 APU 那樣，直接利用 I/O DIE 提供 40 Gbps USB4，而這兩個 USB4 早被併入影像輸出通道 (DP)。現實中，技嘉早就推出真正直連式的 USB4 B650E 主機板 (B650E AORUS ELITE X AX ICE)，實現 RYZEN 8000 APU 的 I/O DIE 的完整設計。(UH 報導)

這也對上 AMD 選擇把 I/O DIE 的 3 個 USB-C 連接與 3 個 DP 影像輸出合併的做法，因為 AMD 的終極目標就是那 3 個 USB-C 都做到 40 Gbps USB4 等級，既可直接提供真原生 USB4，又同時享有 DP ALT 模式。換句話說，USB4 理應由 CPU 提供，而非晶片組。只是現實中 AM5 裡， RYZEN 7000 或 9000 也好，I/O DIE 就沒有 40 Gbps，只有 RYZEN 8000 APU 的 I/O DIE 把 10 Gbps USB 換成 40 Gbps (三之二)。

在 AMD 正式發佈 ZEN5 RYZEN 9000 後，以上一切好像出現變化。從 AMD 官網可見 (來源)，AMD 好像在暗示 USB4 控制器應該利用晶片組的 PCI-E 通道連接才對。AMD 在官網列出主機板提供的額外 PCI-E 通道，800 系晶片組與 600 系晶片組的通道數量竟然出現變化！由於 AMD 在 X870E 和 X870 主機板上強行綁定 USB4，且是外接方案，這使 X870E 主機板晶片組的 PCI-E 4.0 通道數量從原來的 12 降至 8，X870 主機板晶片組的 PCI-E 4.0 通道從原來的 8 降至 4。若非如此，X870E 的 GEN4 通道數量理應等如 X670E 的通道數量也就是 12，缺失的 4 剛好是 USB4 控制器所需要的通道數量。 由此猜測，這次 AMD 首次公開暗示，USB4 該由晶片組負責才對。

補充：

• PROM21 提供 8 組 PCI-E 4.0 通道和 4 組 PCI-E 3.0 通道 (又或是 4 個 SATA)。
• X870E / X670E / X670 使用 2 顆 PROM21 故可提供最多 12 組 PCI-E 4.0 通道和 8 組 PCI-E 3.0 通道。
• 雙 PROM21 獨立來看 GEN4 的總和是 X8 + X8 = X16，可是因為要串連雙晶片組，X16 便剩下 X12 因為其中 X4 用作串連。

以華碩的 ROG CROSSHAIR X870E HERO 為例，華碩應該是利用 CPU 的 PCI-E 通道連接 USB4 控制器，而且是第 2 組 X4。RYZEN 7000 與 9000 的 I/O DIE，提供 X16 + X4 + X4 共 24 組可用 PCI-E 通道，最大 28 組的意思是包含連接晶片組的 X4。如果華碩是利用第一組 X4 連接 USB4 控制器，M.2_1 便需由第 2 組 X4 提供。這便受 RYZEN 8500 / 8300 APU 的 I/O DIE 設計所影響，因為這兩顆 APU 實際上不是 X16 + X4 + X4 而是 X8 + X4 + X4 或 X4 + X4 + X2。所以如果 M.2_1 是由 CPU 最後一組通道連接，在使用 RYZEN 8500 / 8300 APU 時該 M.2_1 理應只剩 X2，而非 X4。

順帶一提，C10H 把 CPU 的 X16 分拆為 X8 + X4 + X4，首 X8 直連第一根 PCI-E X16 插槽 (PCIEX16_1)，剩下的 X4 + X4 視乎使用組態，可供 PCIEX16_1 或 PCIEX16_2 或 M.2_2 或 M.2_3 使用。由於有 4 個去處，設計複雜程度可能是歷代主流平台之最 (1:2 2:1 切換的話)。簡單來說，C10H 的 PCIEX16_1 和 PCIEX16_2 和 M.2_2 和 M.2_3，都在用同一組 CPU X16。

當使用 USB4 控制器，除了 PCI-E 通道和其來源，還有一點要考慮，那就是相容 USB 2.0 的設計。MSI ASM4242 擴充卡和各款 JHL8540 擴充卡，PCB 上的都有一組 USB 2.0 9-PIN 連接，供使用者自行連接至主機板的 USB 2.0 9-PIN，使 USB 2.0 的裝置可被 USB4 的 TYPE-C 識別 (向下相容)。在 AM5 平台上，由於 AMD 的 USB 3 已包含 USB 2.0 (CPU PCH 亦然)，USB4 控制器要相容 USB 2.0 模式應該變得更簡單。可是華碩在 C9H 上的做法好像並不是這樣，據官方提供的 BLOCK DIAGRAM，JHL8540 的 USB 2.0 模式實際上並不是由 CPU 的 USB 提供，而是利用晶片組的原生 USB 2.0 提供。AM5 的 I/O DIE 把 DP 與 USB-C 10 Gbps 整合，當然也包含 USB 2.0 在內。

補充一點，官方 BLOCK DIAGRAM 時有錯誤，例如這份 C9H 也漏掉前置的另一組 USB 3.0 19-PIN (U32G1_E34)。至於 PROM21_1 為什麼能輸出 7 個 USB 2.0，筆者估計那是因為 PROM21_1 的 USB-C 20 Gbps 因為用上 2 個 10 Gbps USB 所以剩下 1 個 USB 2.0。如非如此，那麼實際上應該是由 PROM21_2 提供 USB 2.0 予 AURA 微處理器。

筆者再翻查技嘉的資料，技嘉的使用手冊真的好好看。技嘉除了提供 BLOCK DIAGRAM 更會詳列 I/O 上的 USB 是否相容 USB 2.0。以下的 B650E AORUS ELITE X AX ICE，那個原生的 USB4 40 Gbps TYPE-C 由於沒有利用任何 USB4 控制器，故只限於 RYZEN 8000 APU 才能開通完整 40 Gbps。可是這個 USB4 TYPE-C 也相容 USB 2.0。從 BLOCK DIAGRAM 可見晶片組 PROM21 的 6 個 USB 2.0 早已分配了 4 個至 2 組USB 2.0 9-PIN，還有 WIFI 模組的 BT 功能，筆者相信還有提供至沒有提到的 RGB 微處理器。所以該 USB4 TYPE-C 的 USB 2.0 支援，應該是來自 CPU，除非又是 PROM21 的 USB-C 20 Gbps 所遺漏的 USB 2.0。

以下是技嘉的 B650E AORUS PRO X USB4，真正使用 ASM4242 USB4 控制器的設計。該 USB4 TYPE-C 也支援 USB 2.0 模式，同樣也應該不是由 PROM21 晶片組提供。

AM5 的 I/O DIE 在提供 USB4 方案時到底可否一併提供 USB 2.0 相容模式，筆者也無法確認。也許以晶片組連接 USB4 控制器就得額外使用 USB 2.0 提供 USB 2.0 相容，以 CPU 連接 USB4 控制器就不必再＂浪費＂USB 2.0。

筆者最近在看 PRIME X870-P WIFI 這塊主機板，算來算去都算不出 USB 的分配，更是混亂了，尤其這塊主機板還沒有 USB 20 Gbps TYPE-C 筆者卻還看不懂。在 AM5 的 I/O DIE 裡，CPU 可提供 3 個 10 Gbps TYPE-C 和 1 個 10 Gbps TYPE-A 和 1 個 USB 2.0 TYPE-A，晶片組可提供 6 個 10 Gbps TYPE-A 和 6 個 USB 2.0 TYPE-A；另外，每個 20 Gbps USB-C 都需要佔用 2 個 10 Gbps TYPE-A。

由華碩 PRIME X870-P WIFI 官網提供的 MOTHERBOARD LAYOUT 來看，USB4 以外的 USB 好像都是原生提供，也就是沒有用上 HUB 或 CONTROLLER。要是用上第三方擴展設計，華碩會為這些 USB 加入＂E＂作為識別，就如 USB4 的 EC1 / EC2 一樣。

簡單假設前置的 USB 3 和後置的 USB 5G TYPE-A 都是由晶片組提供，那便用盡晶片組的 6 個 10 Gbps TYPE-A。再假設前置 2 組 USB 2.0 9-PIN 和 WIFI 模組的 BT 以及 AURA 晶片均由晶片組提供，那麼晶片組的 USB (6+6) 都用完了。

那現在剩下還沒分配的 USB 都在 I/O 上，共 7 個之多，當中更包括 USB4 的 TYPE-C。也只有 CPU 可處理它們，因為晶片組應該也沒有剩下任何 PCI-E 通道。可是 CPU 就最多提供 5 原生個 USB，這好像不夠分啊。可幸的是多出的好像都是 USB 2.0，這又產生一點趣味了。按筆者理解，CPU 以 X4 PCI-E 通道連接 USB4 控制器提供 2 個 USB-C 40 Gbps，也同時佔用了 CPU 3 個原生 USB-C 10 Gbps 的其中 2 個，因為這些原生 USB-C 同一時間也是 DP 輸出。CPU 剩下的 2 個原生 10 Gbps USB 其中一個提供 USB-A 10 Gbps，另一個降為 USB 2.0 TYPE-A，再加上 CPU 原生提供的 1 個 USB 2.0 TYPE-A，後置 I/O 上其實還剩下 2 個 USB 2.0 TYPE-A 成為無主孤魂。

由於 MOTHERBOARD LAYOUT 沒有顯示用上任何 USB HUB / CONTROLLER 來提供 USB (USB4 除外)，所以這裡剩下的最後 2 個 USB 2.0 TYPE-A，好像只能從 USB4 TYPE-C 那邊拆出來。這也意味 USB4 的 USB-C 將不支援 USB 2.0 設備，或是有切換的意思，總之應該是不能同時使用那剩下的 USB 2.0 TYPE-A 和 USB-C 的 USB 2.0 模式。除非，實際上這邊有 USB 2.0 HUB。

TUF 那邊好像比較容易理解。按以上方式推測，扣除 PCH 負責的 USB，後置 I/O 上剩下 5 個 USB，分別是 2 個 USB-C 40 Gbps 和 2 個 USB-A 10 Gbps 和 1 個 USB 2.0 TYPE-A，此時也剛好對上 CPU I/O DIE 的 USB 連接。

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