【E課堂】USB Type-C普適性解析：工程師朋友更應(yīng)當(dāng)了解

　　作為最新的接口標(biāo)準(zhǔn)，USB Type-C?已然獲得了計(jì)算和消費(fèi)電子市場(chǎng)的諸多關(guān)注。集功能與滿(mǎn)足消費(fèi)者的訴求于一體，USB Type-C很有希望成為最受人們歡迎的接口之一，但同時(shí)也可能是為人們帶來(lái)最多困擾的接口。替代模式(Alternate Mode，簡(jiǎn)稱(chēng)“Alt Mode”)、外設(shè)模式(Accessory Mode)、結(jié)構(gòu)化VDM(Structured VDM)以及非結(jié)構(gòu)化VDM(Unstructured VDM)等大量術(shù)語(yǔ)使得消費(fèi)者和技術(shù)人員摸不著頭腦。這些術(shù)語(yǔ)定義了USB Type-C接口是如何支持各種非USB功能。本文將為讀者解析USB Type-C接口支持的所有非USB功能、系統(tǒng)工程師將會(huì)用到的元器件以及消費(fèi)者需要了解的功能。

　　本文也將討論視頻模式、數(shù)據(jù)模式、音頻模式、調(diào)試模式以 及高功率供電模式。

　　本文將為您簡(jiǎn)要介紹一下USB Type-C。它有五項(xiàng)主要特性使USB Type-C成為靈活、可擴(kuò)展的接口。

　　供電

　　USB Type-C接口默認(rèn)的5V供電向后兼容之前的USB接口。不僅如此，全新的USB Type-C接口包含4個(gè)引腳分別專(zhuān)門(mén)用于供電和接地。“USB供電規(guī)范(USB Power Delivery Specification )”可使USB Type-C接口最高可支持20V的電壓以及5A的電流。

　　對(duì)稱(chēng)的連接

　　USB Type-C接口是對(duì)稱(chēng)的，所以它的插拔以及線纜方向正反皆可。插拔方向的解放解決了之前接口帶來(lái)的主要煩惱。以前接口的種類(lèi)預(yù)示著附屬設(shè)備的功能 (Type-A接口用于主機(jī)，Type-B接口用于外部設(shè)備)。USB Type-C接口可以接入兩端中的任一端，而功能則由被接入的硬件定義。USB Type-C線纜兩端的接口是相同的，因此線纜的插拔得以簡(jiǎn)化。

　　帶寬

　　USB Type-C支持USB 2.0、USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed USB 5Gbps)和USB 3.1 Gen 2(SuperSpeed USB 10Gbps)數(shù)據(jù)速率。USB 2.0和 USB 3.1分別由單獨(dú)的規(guī)范定義。SuperSpeed USB 差分信號(hào)對(duì)被分配在接口的兩側(cè)，因此以任一方向插入接口時(shí)均會(huì)使用到一組SuperSpeed USB信號(hào)傳輸連接。

　　通道配置

　　USB Type-C接口包含2個(gè)通道配置(Channel Configuration)信號(hào)引腳(CC1 & CC2)，用于功能協(xié)商。上述信號(hào)確定接口插入方向，并用于協(xié)商接口上的供電功能、替代模式和外設(shè)模式。

　　非USB信號(hào)傳輸

　　USB Type-C接口支持多種OEM產(chǎn)品定制模式，以擴(kuò)展設(shè)備功能。圖1展示了USB Type-C的引腳圖。某些引腳可根據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型重新指派功能。當(dāng)中黃色標(biāo)注部分的引腳可通過(guò)全功能的USB Type-C線纜進(jìn)行重新配置。不僅如此，橙色標(biāo)注部分的引腳也可被重新配置用于直連應(yīng)用(Direct Connect Application)。

　　信號(hào)的重新分配是通過(guò)CC通道上的協(xié)商實(shí)現(xiàn)。接口可進(jìn)入兩種模式，外設(shè)模式和替代模式。要進(jìn)入外設(shè)模式，CC通道上將進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯檢測(cè)以確定需要哪種外設(shè) 模式。要進(jìn)入替代模式，CC通道上將使用雙相符號(hào)編碼(Biphase Mark Code, BMC)進(jìn)行雙向通信以正確地設(shè)置鏈路。在這個(gè)協(xié)商過(guò)程中，兩端的設(shè)備均需要在進(jìn)行任何改變之前對(duì)信號(hào)的重新分配協(xié)商一致。所有的USB Type-C接口均被要求在非替代模式或非外設(shè)模式下能夠作為兼容USB的接口使用。

　　圖1：USB Type-C接口引腳圖

　　外設(shè)模式

　　外設(shè)模式支持通過(guò)USB Type-C接口傳輸模擬音頻或調(diào)試信號(hào)。在音頻模式下，音頻輸出源設(shè)備(如手機(jī)或筆記本電腦)能夠通過(guò)USB 2.0(D+/D-)引腳傳輸模擬音頻信號(hào)(R/L)，同時(shí)通過(guò)邊帶通道(SBU1或 SBU2)中的一條來(lái)接收來(lái)自外部音頻源的麥克風(fēng)信號(hào)。外設(shè)模式在不遠(yuǎn)的將來(lái)預(yù)計(jì)很有可能會(huì)支持?jǐn)?shù)字音頻。外設(shè)模式需要使用簡(jiǎn)單的直流電平電壓比較器來(lái)檢 測(cè)鏈路要求哪種外設(shè)模式。該檢測(cè)塊將由音頻源設(shè)備實(shí)現(xiàn)。一旦檢測(cè)完畢，音頻源設(shè)備需要使用支持音頻信號(hào)的模擬開(kāi)關(guān)，并在通過(guò)相同引腳傳輸音頻時(shí)隔離USB 2.0信號(hào)，如圖2展示。由于手機(jī)/筆記本電腦的外設(shè)模式不是強(qiáng)制規(guī)定，所以消費(fèi)者需要詳細(xì)閱讀電子設(shè)備的資料以確定其是否支持通過(guò)USB Type-C接口傳輸音頻。

　　圖2：系統(tǒng)框圖——通過(guò)USB Type-C接口支持音頻外設(shè)模式

　　供電數(shù)據(jù)對(duì)象(Power Data Object, PDO)和供電傳輸協(xié)議(Power Delivery Contract)

　　供電數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)是包含電壓和電流性能信息的數(shù)據(jù)包，可通過(guò)USB Type-C接口傳輸。每個(gè)USB Type-C接口(有能力支持供電)在新建連接時(shí)可發(fā)送最多6個(gè)PDO。隨后接收設(shè)備篩選這6個(gè)PDO，在確定合適的電壓和電流配對(duì)后建立供電協(xié)議，從而 實(shí)現(xiàn)USB Type-C接口間的電力傳輸。USB type-C接口支持的電壓范圍為0V至 20V，以50mV幅度增減，支持的電流范圍為0A至 5A，以10mA幅度增減。USB Type-C接口原生支持5V @ 900mA供電，其他參數(shù)均是可選的。購(gòu)買(mǎi)USB Type-C接口的供電和用電設(shè)備時(shí)必須仔細(xì)確認(rèn)它們的功能以及要求，以實(shí)現(xiàn)最快的充電。否則消費(fèi)者將有可能會(huì)遇到只有1個(gè)PDO匹配的局面，即5V @ 900mA(4.5W)。由于上述情況，未來(lái)的開(kāi)發(fā)會(huì)讓用戶(hù)能夠更加方便地匹配供電和用電設(shè)備。

　　替代模式(結(jié)構(gòu)化VDM)

　　替代模式是通過(guò)USB Type-C接口協(xié)商來(lái)傳輸非USB數(shù)據(jù)的另一種可選方式。目前已有2款與USB開(kāi)發(fā)者論壇(USB Implementers Forum)達(dá)成合作協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化替代模式——DisplayPort和MHL?，由其所屬的標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)發(fā)。Thunderbolt 3是Intel開(kāi)發(fā)的私有替代模式。DisplayPort和 MHL致力于將支持USB Type-C的產(chǎn)品連接至外部顯示器，Thunderbolt則得益于Intel最新的Alpine Ridge控制器集成了PCI Express Gen3和 USB 3.1 Gen 2功能，所以還添加了支持?jǐn)?shù)據(jù)的附加層。根據(jù)arstechnica的報(bào)道，Thunderbolt替代模式憑借其先進(jìn)的集成功能可提供USB Type-C接口上最高級(jí)的協(xié)議支持，原生支持PCI Express Gen 3、USB 3.1 Gen 2、DisplayPort 1.2以及Thunderbolt。Thunderbolt 3支持最高40 Gbps速率，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)4K 60 fps顯示屏或一個(gè)5K 60 fps顯示屏。

　　DisplayPort更注重視頻分辨率，致力于通過(guò)單個(gè)USB Type-C接口傳輸8K分辨率視頻。DP1.3能夠提供32.4Gbps速率，支持無(wú)損視頻數(shù)據(jù)，VESA FAQ頁(yè)面提供的信息表明其可滿(mǎn)足8K 60 fps 4:2:0視頻的傳輸要求。

　　第二種適用于USB Type-C接口的標(biāo)準(zhǔn)化替代模式是MHL，它能夠支持壓縮或無(wú)損的視頻信號(hào)。在未經(jīng)壓縮的情況下，MHL可提供24 Gbps的速率，適用于4K 60 fps 12位色深視頻的傳輸。使用視頻流壓縮(Display Stream Compression, DSC)技術(shù)后，MHL可支持高達(dá)72Gbps的速率，滿(mǎn)足8K 60 fps 4:4:4視頻傳輸?shù)膸捫枨?，這使得MHL成為滿(mǎn)足有效視頻帶寬需求的首選。DSC是基于行的壓縮算法，可提供視覺(jué)無(wú)損的解決方案，同時(shí)最小化使用壓縮 技術(shù)后的視頻延遲。圖3展示了使用DSC前和使用DSC后的圖像實(shí)例。

　　圖3：右側(cè)圖片按照DSC規(guī)范進(jìn)行了2.5x壓縮，左側(cè)圖片未經(jīng)壓縮。瀏覽者很難看出兩者的差別。

　　為了使用上述兩種標(biāo)準(zhǔn)化替代模式，系統(tǒng)架構(gòu)工程師必須首先選擇支持所選標(biāo)準(zhǔn)的芯片組。Intel是Thunderbolt的獨(dú)家供應(yīng)商，而MHL或 DisplayPort的供應(yīng)商則有很多。系統(tǒng)架構(gòu)工程師接下來(lái)還需要替代模式協(xié)商芯片，如萊迪思最新的USB Type-C接口控制器產(chǎn)品。由于沒(méi)有對(duì)相關(guān)標(biāo)志的強(qiáng)制性規(guī)定，消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品之前需要閱讀產(chǎn)品文檔來(lái)了解產(chǎn)品支持哪些替代模式，避免發(fā)生購(gòu)買(mǎi)了 DisplayPort產(chǎn)品卻要將其連接到MHL配件的情況。

　　結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的供應(yīng)商自定義消息(Vendor Defined Messages, VDM)

　　結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化VDM均建立于SVID(標(biāo)準(zhǔn)ID或供應(yīng)商ID)并由USB-IF批準(zhǔn)，所以可以確保兩者均是獨(dú)一無(wú)二的。標(biāo)準(zhǔn)ID被指定為標(biāo)準(zhǔn)化替代模 式，適用于整個(gè)USB Type-C生態(tài)系統(tǒng)(如MHL和DisplayPort)。供應(yīng)商ID是唯一的，適用于某個(gè)企業(yè)，可能不為公眾所知。

　　USB 供電(USB Power Delivery, USB PD)消息/指令由上述兩種標(biāo)準(zhǔn)或供應(yīng)商獨(dú)家定義。結(jié)構(gòu)化VDM消息是可擴(kuò)展的指令，在USB PD規(guī)范中有定義，是進(jìn)入和退出替代模式的主要機(jī)制。非結(jié)構(gòu)化VDM完全由供應(yīng)商定義，并在進(jìn)入替代模式中普遍(但非必需)使用。

　　舉個(gè)例子，如果設(shè)備進(jìn)入了替代模式，那么它可能持續(xù)發(fā)送結(jié)構(gòu)化VDM以管理替代模式的運(yùn)行。不過(guò)有些指令的需求是很難用結(jié)構(gòu)化VDM來(lái)支持的。

　　消費(fèi)者培養(yǎng)

　　USB Type-C接口成功的關(guān)鍵在于教育消費(fèi)者以及培養(yǎng)他們的關(guān)注度。在首次面對(duì)消費(fèi)者時(shí)應(yīng)當(dāng)著重強(qiáng)調(diào)USB Type-C接口的全新優(yōu)勢(shì)：

　　·正反皆可的插拔和線纜方向。

　　·靈活和快速的充電，根據(jù)USB供電協(xié)議支持高達(dá)20V的電壓和高達(dá)5A的電流。

　　·設(shè)計(jì)用于支持可選的信號(hào)傳輸模式，如音頻耳機(jī)和視頻輸出。

　　消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)USB Type-C充電器時(shí)需要確認(rèn)充電器是否滿(mǎn)足設(shè)備的快速充電功能要求(電壓和電流)以享受最快的充電體驗(yàn)。

　　對(duì)手機(jī)和筆記本電腦支持的外設(shè)模式?jīng)]有強(qiáng)制規(guī)定，所以消費(fèi)者需要確認(rèn)產(chǎn)品是否具備所需的功能，如USB Type-C接口是否支持音頻模式。

　　對(duì)替代模式的標(biāo)志也沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，所以消費(fèi)者也要確認(rèn)產(chǎn)品支持哪種或哪些替代模式(如MHL、DisplayPort或Thunderbolt)。

　　已上市的USB Type-C產(chǎn)品

　　下方表格中所列的終端產(chǎn)品已宣布支持USB Type-C。同時(shí)，表格還列出了每個(gè)產(chǎn)品的文檔中所記錄的特性。