【E課堂】USB Type-C普適性解析：工程師朋友更應當了解

　　作為最新的接口標準，USB Type-C?已然獲得了計算和消費電子市場(chǎng)的諸多關(guān)注。集功能與滿(mǎn)足消費者的訴求于一體，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”)、外設模式(Accessory Mode)、結構化VDM(Structured VDM)以及非結構化VDM(Unstructured VDM)等大量術(shù)語(yǔ)使得消費者和技術(shù)人員摸不著(zhù)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、系統工程師將會(huì )用到的元器件以及消費者需要了解的功能。

　　本文也將討論視頻模式、數據模式、音頻模式、調試模式以 及高功率供電模式。

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

　　供電

　　USB Type-C接口默認的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。

　　對稱(chēng)的連接

　　USB Type-C接口是對稱(chēng)的，所以它的插拔以及線(xiàn)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)預示著(zhù)附屬設備的功能 (Type-A接口用于主機，Type-B接口用于外部設備)。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(xiàn)纜兩端的接口是相同的，因此線(xiàn)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)數據速率。USB 2.0和 USB 3.1分別由單獨的規范定義。SuperSpeed USB 差分信號對被分配在接口的兩側，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)信號引腳(CC1 & CC2)，用于功能協(xié)商。上述信號確定接口插入方向，并用于協(xié)商接口上的供電功能、替代模式和外設模式。

　　非USB信號傳輸

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

　　信號的重新分配是通過(guò)CC通道上的協(xié)商實(shí)現。接口可進(jìn)入兩種模式，外設模式和替代模式。要進(jìn)入外設模式，CC通道上將進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯檢測以確定需要哪種外設 模式。要進(jìn)入替代模式，CC通道上將使用雙相符號編碼(Biphase Mark Code, BMC)進(jìn)行雙向通信以正確地設置鏈路。在這個(gè)協(xié)商過(guò)程中，兩端的設備均需要在進(jìn)行任何改變之前對信號的重新分配協(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

　　外設模式

　　外設模式支持通過(guò)USB Type-C接口傳輸模擬音頻或調試信號。在音頻模式下，音頻輸出源設備(如手機或筆記本電腦)能夠通過(guò)USB 2.0(D+/D-)引腳傳輸模擬音頻信號(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。外設模式在不遠的將來(lái)預計很有可能會(huì )支持數字音頻。外設模式需要使用簡(jiǎn)單的直流電平電壓比較器來(lái)檢 測鏈路要求哪種外設模式。該檢測塊將由音頻源設備實(shí)現。一旦檢測完畢，音頻源設備需要使用支持音頻信號的模擬開(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，如圖2展示。由于手機/筆記本電腦的外設模式不是強制規定，所以消費者需要詳細閱讀電子設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：系統框圖——通過(guò)USB Type-C接口支持音頻外設模式

　　供電數據對象(Power Data Object, PDO)和供電傳輸協(xié)議(Power Delivery Contract)

　　供電數據對象(PDO)是包含電壓和電流性能信息的數據包，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。隨后接收設備篩選這6個(gè)PDO，在確定合適的電壓和電流配對后建立供電協(xié)議，從而 實(shí)現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，其他參數均是可選的。購買(mǎi)USB Type-C接口的供電和用電設備時(shí)必須仔細確認它們的功能以及要求，以實(shí)現最快的充電。否則消費者將有可能會(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備。

　　替代模式(結構化VDM)

　　替代模式是通過(guò)USB Type-C接口協(xié)商來(lái)傳輸非USB數據的另一種可選方式。目前已有2款與USB開(kāi)發(fā)者論壇(USB Implementers Forum)達成合作協(xié)議的標準化替代模式——DisplayPort和MHL?，由其所屬的標準組織開(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，所以還添加了支持數據的附加層。根據arstechnica的報道，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)損視頻數據，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接口的標準化替代模式是MHL，它能夠支持壓縮或無(wú)損的視頻信號。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72Gbps的速率，滿(mǎn)足8K 60 fps 4:4:4視頻傳輸的帶寬需求，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：右側圖片按照DSC規范進(jìn)行了2.5x壓縮，左側圖片未經(jīng)壓縮。瀏覽者很難看出兩者的差別。

　　為了使用上述兩種標準化替代模式，系統架構工程師必須首先選擇支持所選標準的芯片組。Intel是Thunderbolt的獨家供應商，而MHL或 DisplayPort的供應商則有很多。系統架構工程師接下來(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)有對相關(guān)標志的強制性規定，消費者在購買(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)生購買(mǎi)了 DisplayPort產(chǎn)品卻要將其連接到MHL配件的情況。

　　結構化和非結構化的供應商自定義消息(Vendor Defined Messages, VDM)

　　結構化和非結構化VDM均建立于SVID(標準ID或供應商ID)并由USB-IF批準，所以可以確保兩者均是獨一無(wú)二的。標準ID被指定為標準化替代模 式，適用于整個(gè)USB Type-C生態(tài)系統(如MHL和DisplayPort)。供應商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/指令由上述兩種標準或供應商獨家定義。結構化VDM消息是可擴展的指令，在USB PD規范中有定義，是進(jìn)入和退出替代模式的主要機制。非結構化VDM完全由供應商定義，并在進(jìn)入替代模式中普遍(但非必需)使用。

　　舉個(gè)例子，如果設備進(jìn)入了替代模式，那么它可能持續發(fā)送結構化VDM以管理替代模式的運行。不過(guò)有些指令的需求是很難用結構化VDM來(lái)支持的。

　　消費者培養

　　USB Type-C接口成功的關(guān)鍵在于教育消費者以及培養他們的關(guān)注度。在首次面對消費者時(shí)應當著(zhù)重強調USB Type-C接口的全新優(yōu)勢：

　　·正反皆可的插拔和線(xiàn)纜方向。

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

　　·設計用于支持可選的信號傳輸模式，如音頻耳機和視頻輸出。

　　消費者在購買(mǎi)USB Type-C充電器時(shí)需要確認充電器是否滿(mǎn)足設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。

　　對手機和筆記本電腦支持的外設模式?jīng)]有強制規定，所以消費者需要確認產(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。

　　對替代模式的標志也沒(méi)有強制規定，所以消費者也要確認產(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。