USB-C(USB Type-C)规范的简单介绍和分析

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作者:wowo

1. 前言

从1996年1月USB1.0正式发布至今(2017年9月 USB3.2发布),USB已经走过了21个年头。在这21年的时间了,USB标准化组织(USB Implementers Forum,USB-IF)折腾出来了各式各样、五花八门的接口形态:Type A、Type A SuperSpeed、Type B、Type B SuperSpeed、Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B、Micro-B SuperSpeed、Type C等等。

另外,USB接口主要由插座(Receptacle)、插头(Plug)和线缆(Cable)三部分组成,再叠加上这些奇奇怪怪的规范,灾难就发生了:

A产品喜欢用Type A的插座,B产品偏偏喜欢Type B,连接它们的线缆就悲剧了,只能变成A-to-B的了。以此类推,A-to-A、B-to-B、A-to-MicroA、等等,于是我们的抽屉就挤满了各种不明用途的USB线……

好吧,吐槽时间结束,因为本文的主角不是过去的那些奇奇怪怪的接口,而是最新的、红到发紫的USB-C(也称作USB Type C)规范。提起typec,它还真和它的A、B前辈们不太一样:

因为它有自己独立的、自行演化的规范文件----USB Type-C Specification(2014年发8月布1.0版本,2017年7月发布1.3版本)。而前辈们就没有这样的待遇了,它们都依附于具体的USB规范(USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、等等)。

为什么会这样的呢?当然是因为它有独特之处了,具体请参考本文后续的描述。

2. 概述

我们接着上面的问题讲。
Type C之前的规范(Type A、Type B、等等),偏重于USB接口的“硬”的特性,如信号的个数、接口的形态、电气特性、等等,这些特性一旦固定,就没有更改的需求了,这就导致了:
1)这些接口规范不需要单独存在(因为没有更新、演化的要求),“随便”在USB规范的哪个章节交代一下就行了。
2)同时存在五花八门、种类繁多的接口(因为不能更新、演化啊,一旦新需求出现,只能再搞一个新的了)。

到USB Type C的时候,USB标准化组织的这些家伙突然开窍了(管他主动开窍还是被动开窍,反正是开窍了),在定义USB接口“硬”的特性的基础上,增加了一些“软”的内容,一下子就海阔天空了。至此,USB接口(仅仅指Type C)摆脱了和USB的从属关系,变成了一个可以和USB规范平起平坐的新规范。
大家估计会很好奇,这家伙到底Get了什么新技能,从而成功上位了呢?让我们简单总结一下(注意其中黄色高亮部分):

▲ 定义一套新的接口形态(Receptacle/Plug/Cable)
▲ 插座(Receptacle)可以用在很薄的电子设备上,因为它的高度只有3mm
▲ 插头(Plug)更容易使用了,可以正着插、反着插、随便插、想怎么插怎么插,终于不再反人类了(想想之前,插一个U盘到电脑中:哦,好像插不进去,反过来试试;嗯?还是插不进去,再反过来试试;噢!终于插进去了……流汗中……)
▲ 线缆(Cable)也更容易使用了,两端一模一样(当然,为了兼容、转接旧有规范的除外),也是想怎么插就怎么插
▲ 插头(Plug)和线缆(Cable)的改进,并不是一个空手套白狼的买卖,是要付出代价的,因为需要一个称作“Configuration Process”的过程解决如下的两个问题: 
     □ 插头可以随便插,因而需要一套检测插入方向的机制,并可以通过插入方向动态的map管脚信号以便进行后续的通信 
     □ 线缆的两端一模一样,就无法区分所连接的两个USB设备的角色(Host or Device、等等),因而需要一套协商机制,以便让两端的USB设备进行角色的沟通
▲ 以上的“Configuration Process”是使用两个称作CC(CC1和CC2)的管脚进行的,利用不同电压,传递一些简单的信息,以满足上面的需求。 
     □ 后来,一个称作USB PD(Power Delivery)[3]的规范出现了,它在这两个管脚上实现了一种简单的、半双工的通信协议,以完成USB power供给有关协商(有关USB PD,可参考相应的规范[3]以及本站后续的文章)。可以说,这个通信协议就是打开新世界的钥匙。基于它,更多有意义的事情出现了(因此,USB Type C可以单独存在了),例如 
     □ 支持扩展功能。通过扩展功能,USB Type C接口拥有了无线的想象空间,可以摇身变成任意其它协议的物理接口,例如配件接口、音频接口、视频接口、debug接口等等,大有一统天下之势。从这个角度看,USB Type C不仅仅是成功上位(从USB规范中独立出来),而是成功逆袭(凌驾于USB规范之上),格局啊!!


对USB Type C有个基本的了解之后,我们再简单分析一下它的主要特性(主要从软件的角度,纯电气方面的内容直接插规范就行了,这里不再罗嗦)。

3. 主要特性

3.1 接口形态(Receptacle/Plug/Cable)

为了实现自己的理想和抱负,USB Type C定义了新的接口形态。另外,为了兼容旧的接口以及一些特殊功能,它定义了不同形态的插座、插头、线缆。主要包括:

1)定义了2种Type-C的插座
a)全功能的Type-C插座,可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 
b)USB 2.0 Type-C插座,只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。

2)定义了3种Type-C插头
a)全功能的Type-C插头,可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 
b)USB 2.0 Type-C插头,只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。 
c)USB Type-C Power-Only插头,用在那些只需要供电设备上(如充电器)。


3)定义了3种标准的Type-C线缆
a)两端都是全功能Type-C插头的全功能Type-C线缆。 
b)两端都是USB 2.0 Type-C插头的USB 2.0 Type-C线缆。 
c)只有一端是Type-C插头(全功能Type-C插头或者USB 2.0 Type-C插头)的线缆。

4)为兼容旧设备而定义的线缆或者适配器
a)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-A插头。 
b)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Type-A插头。 
c)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-B插头。 
d)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Type-B插头。 
e)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Mini-B插头。 
f)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Micro-B插头。 
g)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Micro-B插头。 
h)一种适配器,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-A插座。 
i)一种适配器,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Micro-B插座。

注1:再吐槽一下,看了上面的a-i,应该能感受到之前的USB接口规范是多么的能折腾了吧?

3.2 管脚及信号的定义

USB Type-C接口有24个管脚,插座和插头在管脚信号的定义上有一点点的不同,分别如下:

USB Type-C接口有24个管脚

以上信号按照功能可以分为5类:

1)Power有关的信号,包括 
     a)VBUS,USB线缆的bus power(和我们通常意义上VBUS保持一致)。 
     b)VCONN(只有在插头上才会有该信号),用于向插头供电(由此可以推测出有些插头中可能会有电路)。 
     c)GND,接地。
2)USB 2.0数据线,D+/D-。它们在插头端只有一对,和旧的USB 2.0规范一致。但为了支持正反随意插。在插座端定义了两组,这样插座端可以根据实际情况进行合适的mapping。
3)USB3.1数据线,TX+/-和RX+/-,用于高速的数据传输。插头和插座端都有两组,用于支持正反随意插。
4)用于Configuration的信号,对插头来说,只有一个CC,对插座来说,有两个CC1和CC2。
5)扩展功能所需的信号,具体使用场景由相应的扩展功能决定。
注2:对于3.1中所描述的不同类型的插座和插头,这24个管脚以及信号不一定全部使用,具体可参考USB Type-C的规范[2]。

注3:大家可能注意到了,USB Type-C 24个管脚信号中,Power类(GND/VBUS)和数据类(D+/D-/TX/RX)是完全对称的(对Power来说,无论怎么插,都是一样;对数据线来说,简单的路由一下,就可以工作)。剩下的,包括CC、SBU和VCONN,用于方向、线类型等检测,具体可参考后面的介绍。

3.3 USB port的Data Role

在USB 2.0及以前的时代,根据功能的不同,USB端口分为Host、Device、OTG(Host和Device二者皆可)、Hub等。在Type C时代,事情的本质还在,不过名字稍微有些调整,分别称作:

DFP(Downstream Facing Port),一般作为Host或者Hub,在初始配置下通过VBUS或者VCONN向device供电。
UFP(Upstream Facing Port),一般作为Device或者Hub,连接到Host上,初始配置下通过VBUS或者VCONN由Host供电。
DRD(Dual-Role-Data),类似于以前的OTG,既可以作为DFP,也可以作为UFP。设备刚连接时作为哪一种角色,由端口的Power Role(参考后面的介绍)决定;后续也可以通过data role switch过程更改(如果支持USB PD协议的话)。

3.4 USB port的Power Role

根据USB port的供电(或者受电)情况,USB type c将port划分为Source、Sink等power角色,具体如下:

Source,通过VBUS或者VCONN供电。
Sink,通过VBUS或者VCONN接受供电。
DRP(Dual-Role-Power),既可以作为Source,也可以作为Sink。到底作为Source还是Sink,由设备连接后的Configuration Process(具体可参考后面的介绍)以及后续的power role switch过程决定。


3.5 连接检测

USB Type-C的连接检测包括3部分的内容:

连接检测;
连接方向检测;
Power Role检测。

这三部分都是通过USB Type-C接口的CC(CC1和CC2)管脚进行的,原理总结如下(具体细节请参考[2]中的说明,本文不详细罗列了):
1)参考3.2小节的说明,USB Type-C的插座有两个CC(CC1和CC2),而插头(或者说USB cable),有两种情况:
▲ 正常情况下,只有一个CC,两个Type-C端口连接到一起之后,只会存在一个CC连接。通过检测哪一个CC有连接,就可以判断连接的方向。
▲ 如果是可供电的USB cable(Powered cable),一个用做CC,另一个用作Vconn,检测方式参考后面的介绍。


2)不同功能的USB port,需要在CC1和CC2管脚上接不同的上拉或者下拉电阻,规则如下:
Source需要在CC1和CC2管脚接上拉电阻Rp(也可以使用电流源取代,本文就不介绍了),Rp的值可参考[2]中“Table 4-20 Source CC Termination (Rp) Requirements”的介绍。
Sink需要在CC1和CC2管脚接下拉电阻Rd,Rd的值可参考[2]中“Table 4-21 Sink CC Termination (Rd) Requirements”的介绍。
可以通过VCONN供电的USB电缆(Powered cable)为了让Source检测到(以便通过VCONN为它供电),需要在CC脚接下拉电阻Rd,并在Vconn串接一个电阻Ra(代表Vconn的负载)。
其它配件的规则,不再介绍了(可参考[2]中有关的章节)。

3)基于上面的规则,Source需要根据CC1和CC2的状态(阻值)检测Sink的连接及方向,规则如下:
如果CC1和CC2均为Open状态,表示没有Sink连接。
如果CC1和CC2中的一个的阻值为Rd(除去自己的Rp或者电流源的阻值)、另一个为Open,表示有Sink连接,连接的方向由哪一个CC为Rd决定。
如果CC1和CC2中的一个的阻值为Ra(除去自己的Rp或者电流源的阻值)、另一个为Open,表示有不带Sink的Powered cable连接,连接的方向由哪一个CC为Ra决定。
如果一个CC的阻值为Ra,另一个为Rd,则表示有带SInk的Powered cable连接,连接方向由哪个CC为Ra(Rd)决定。

4)Source检测到Sink的连接(及方向)后,会向Vbus和Vconn供电。之后:
Sink通过检测Vbus来确定Source的连接。
Sink检测到连接后,同样根据CC管脚的状态检测连接方向。

5)Source检测到不带Sink的Powered cable的连接后,不会向Vbus或者Vconn供电。
6)Source检测到带Sink的Powered cable的连接(及方向)后,会向Vbus和Vconn供电,Sink的行为后上面4)类似。

3.6 Power role检测

上面的过程,是基于某个port作为Source,另一个port作为Sink为假设的。实际上,某一个Type-C port可能是DRP port,怎么办呢?简单:

它可以在Source和Sink两个状态来回切换,在某一个状态下的检测逻辑,和上面3.5描述的完全一样。
当在Source状态下,成功的检测到Sink的连接时,则自己作为Source;当在Sink状态下成功检测到Source的连接时,则自己作为Sink。

另外,Type-C规范也提供了一个后悔药,虽然我是DRP(Source或者Sink都可以支持),但我更倾向于作为Source(或Sink)怎么办?好办:

当在动态检测的过程中,自己变成了一个自己不喜欢的角色,还可以执行一个Try.SRC或者Try.SNK的过程,尝试变成自己喜欢的角色。如果碰巧对方认可你作为这个角色,OK,万事大吉。

注4:到目前为止(在没有USB PD协议参与的情况下),USB Type-C port的data role必须和power role保持一致(因为Type-C规范没有提供多余的机制去单独的协商data role)。

3.7 USB PD协议

正确连接后,双方通过CC管脚,使用USB PD(Power Delivery)协议,可以进行后续配置和操作,包括:

Data Role的切换(类似USB OTG的切换);
Power Role的切换;
Vconn role的切换(谁通过Vconn向Powered cable供电);
供电的调整;
等等(具体可参考[3]以及后续有关USB PD协议的介绍)。

4. 参考文档

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/USB#2.0
[2] USB Type-C Specification Release 1.3.pdf
[3] USB_PD_R3_0 V1.1 20170112.pdf

文章来源:蜗窝科技,www.wowotech.net

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