详解USB Type C

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作为最新的接口标准，USB Type-C已然获得了计算和消费电子市场的诸多关注。集功能与满足消费者的诉求于一体，USB Type-C很有希望成为最受人们欢迎的接口之一，但同时也可能是为人们带来最多困扰的接口。替代模式（Alternate Mode，简称“Alt Mode”）、外设模式（Accessory Mode）、结构化VDM（Structured VDM）以及非结构化VDM（Unstructured VDM）等大量术语使得消费者和技术人员摸不着头脑。这些术语定义了USB Type-C接口是如何支持各种非USB功能。本文将为读者解析USB Type-C接口支持的所有非USB功能、系统工程师将会用到的元器件以及消费者需要了解的功能。本文也将讨论视频模式、数据模式、音频模式、调试模式以及高功率供电模式。
USB Type-C引言
本文将为您简要介绍一下USB Type-C。它有五项主要特性使USB Type-C成为灵活、可扩展的接口。
供电
USB Type-C接口默认的5V供电向后兼容之前的USB接口。不仅如此，全新的USB Type-C接口包含4个引脚分别专门用于供电和接地。“USB供电规范（USB Power Delivery Specification ）”可使USB Type-C接口最高可支持20V的电压以及5A的电流。
对称的连接
USB Type-C接口是对称的，所以它的插拔以及线缆方向正反皆可。插拔方向的解放解決了之前接口带来的主要烦恼。以前接口的种类预示着附属设备的功能（Type-A接口用于主机，Type-B接口用于外部设备）。USB Type-C接口可以接入两端中的任一端，而功能则由被接入的硬件定义。USB Type-C线缆两端的接口是相同的，因此线缆的插拔得以简化。
带宽
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）数据速率。USB 2.0和 USB 3.1分别由单独的规范定义。SuperSpeed USB 差分信号对被分配在接口的两侧，因此以任一方向插入接口时均会使用到一组SuperSpeed USB信号传输连接。
通道配置
USB Type-C接口包含2个通道配置（Channel Configuration）信号引脚（CC1 & CC2），用于功能协商。上述信号确定接口插入方向，并用于协商接口上的供电功能、替代模式和外设模式。
非USB信号传输
USB Type-C接口支持多种OEM产品定制模式，以扩展设备功能。图1展示了USB Type-C的引脚图。某些引脚可根据产品类型重新指派功能。当中黄色标注部分的引脚可通过全功能的USB Type-C线缆进行重新配置。不仅如此，橙色标注部分的引脚也可被重新配置用于直连应用（Direct Connect Application）。
信号的重新分配是通过CC通道上的协商实现。接口可进入两种模式，外设模式和替代模式。要进入外设模式， CC通道上将进行简单的逻辑检测以确定需要哪种外设模式。要进入替代模式， CC通道上将使用双相符号编码（Biphase Mark Code, BMC）进行双向通信以正确地设置链路。在这个协商过程中，两端的设备均需要在进行任何改变之前对信号的重新分配协商一致。所有的USB Type-C接口均被要求在非替代模式或非外设模式下能够作为兼容USB的接口使用。

图1：USB Type-C接口引脚图
外设模式
外设模式支持通过USB Type-C接口传输模拟音频或调试信号。在音频模式下，音频输出源设备（如手机或笔记本电脑）能够通过USB 2.0（D+/D-）引脚传输模拟音频信号（R/L），同时通过边带通道（SBU1或 SBU2）中的一条来接收来自外部音频源的麦克风信号。外设模式在不远的将来预计很有可能会支持数字音频。外设模式需要使用简单的直流电平电压比较器来检测链路要求哪种外设模式。该检测块将由音频源设备实现。一旦检测完毕，音频源设备需要使用支持音频信号的模拟开关，并在通过相同引脚传输音频时隔离USB 2.0信号，如图2展示。由于手机/笔记本电脑的外设模式不是强制规定，所以消费者需要详细阅读电子设备的资料以确定其是否支持通过USB Type-C接口传输音频。

图2：系统框图——通过USB Type-C接口支持音频外设模式
供电数据对象（Power Data Object, PDO）和供电传输协议（Power Delivery Contract）
供电数据对象（PDO）是包含电压和电流性能信息的数据包，可通过USB Type-C接口传输。每个USB Type-C接口（有能力支持供电）在新建连接时可发送最多6个PDO。随后接收设备筛选这6个PDO，在确定合适的电压和电流配对后建立供电协议，从而实现USB Type-C接口间的电力传输。USB type-C接口支持的电压范围为0V至 20V，以50mV幅度增减，支持的电流范围为0A至 5A，以10mA幅度增减。USB Type-C接口原生支持5V @ 900mA供电，其他参数均是可选的。购买USB Type-C接口的供电和用电设备时必须仔细确认它们的功能以及要求，以实现最快的充电。否则消费者将有可能会遇到只有1个PDO匹配的局面，即5V @ 900mA（4.5W）。由于上述情况，未来的开发会让用户能够更加方便地匹配供电和用电设备。
替代模式（结构化VDM）
替代模式是通过USB Type-C接口协商来传输非USB数据的另一种可选方式。目前已有2款与USB开发者william hill官网（USB Implementers Forum）达成合作协议的标准化替代模式——DisplayPort和MHL®，由其所属的标准组织开发。Thunderbolt 3是Intel开发的私有替代模式。DisplayPort和 MHL致力于将支持USB Type-C的产品连接至外部显示器，Thunderbolt则得益于Intel最新的Alpine Ridge控制器集成了PCI Express Gen3和 USB 3.1 Gen 2功能，所以还添加了支持数据的附加层。根据arstechnica的报道，Thunderbolt替代模式凭借其先进的集成功能可提供USB Type-C接口上最高级的协议支持，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，可驱动两个4K 60 fps显示屏或一个5K 60 fps显示屏。
DisplayPort更注重视频分辨率，致力于通过单个USB Type-C接口传输8K分辨率视频。DP1.3能够提供32.4Gbps速率，支持无损视频数据，VESA FAQ页面提供的信息表明其可满足8K 60 fps 4:2:0视频的传输要求。
第二种适用于USB Type-C接口的标准化替代模式是MHL，它能够支持压缩或无损的视频信号。在未经压缩的情况下，MHL可提供24 Gbps的速率，适用于4K 60 fps 12位色深视频的传输。使用视频流压缩（Display Stream Compression, DSC）技术后，MHL可支持高达72Gbps的速率，满足8K 60 fps 4:4:4视频传输的带宽需求，这使得MHL成为满足有效视频带宽需求的首选。DSC是基于行的压缩算法，可提供视觉无损的解决方案，同时最小化使用压缩技术后的视频延迟。图3展示了使用DSC前和使用DSC后的图像实例。

图3：右侧图片按照DSC规范进行了2.5x压缩，左侧图片未经压缩。浏览者很难看出两者的差别。
为了使用上述两种标准化替代模式，系统架构工程师必须首先选择支持所选标准的芯片组。Intel是Thunderbolt的独家供应商，而MHL或DisplayPort的供应商则有很多。系统架构工程师接下来还需要替代模式协商芯片，如莱迪思最新的USB Type-C接口控制器产品。由于没有对相关标志的强制性规定，消费者在购买产品之前需要阅读产品文档来了解产品支持哪些替代模式，避免发生购买了DisplayPort产品却要将其连接到MHL配件的情况。
结构化和非结构化的供应商自定义消息（Vendor Defined Messages, VDM）
结构化和非结构化VDM均建立于SVID（标准ID或供应商ID）并由USB-IF批准，所以可以确保两者均是独一无二的。标准ID被指定为标准化替代模式，适用于整个USB Type-C生态系统（如MHL和DisplayPort）。供应商ID是唯一的，适用于某个企业，可能不为公众所知。
USB供电（USB Power Delivery, USB PD）消息/指令由上述两种标准或供应商独家定义。结构化VDM消息是可扩展的指令，在USB PD规范中有定义，是进入和退出替代模式的主要机制。非结构化VDM完全由供应商定义，并在进入替代模式中普遍（但非必需）使用。
举个例子，如果设备进入了替代模式，那么它可能持续发送结构化VDM以管理替代模式的运行。不过有些指令的需求是很难用结构化VDM来支持的。
消费者培养
USB Type-C接口成功的关键在于教育消费者以及培养他们的关注度。在首次面对消费者时应当着重强调USB Type-C接口的全新优势：
·正反皆可的插拔和线缆方向。
·灵活和快速的充电，根据USB供电协议支持高达20V的电压和高达5A的电流。
·设计用于支持可选的信号传输模式，如音频耳机和视频输出。
消费者在购买USB Type-C充电器时需要确认充电器是否满足设备的快速充电功能要求（电压和电流）以享受最快的充电体验。
对手机和笔记本电脑支持的外设模式没有强制规定，所以消费者需要确认产品是否具备所需的功能，如USB Type-C接口是否支持音频模式。
对替代模式的标志也没有强制规定，所以消费者也要确认产品支持哪种或哪些替代模式（如MHL、DisplayPort或Thunderbolt）。
已上市的USB Type-C产品
下方表格中所列的终端产品已宣布支持USB Type-C。同时，表格还列出了每个产品的文档中所记录的特性。
供应商
设备
支持的
替代模式
支持的
外设模式
支持的PDO
支持的
非结构化
VDM
支持的
USB数据类型
Nokia
N1 Tablet
无公开记录
无公开记录
无公开记录
无公开记录
USB 2.0
Apple
MacBook Air
DisplayPort
无公开记录
29W
无公开记录
USB 2.0, USB 3.1 Gen 1
Google
Pixel
DisplayPort
无
60W
无公开记录
USB 2.0, USB 3.1 Gen1
HP
Pavilion x2
无公开记录
无公开记录
无公开记录
无公开记录
USB 2.0
LeTV
无公开记录
OnePlus 2
无公开记录
无公开记录
无公开记录
USB 2.0
LaCie
无
无
无
无公开记录
USB 2.0, USB 3.1 Gen1
SanDisk
SSD
无
无
无
无公开记录
USB 2.0, USB 3.1 Gen1
Nexus
5x
无公开记录
无公开记录
无公开记录
无公开记录
USB 2.0
Nexus
6P
无公开记录
无公开记录
无公开记录
无公开记录
USB 2.0

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