USB Type-C普適性解析

　　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的諸多關注。集功能與滿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，但同時也可能是為人們帶來最多困擾的接口。替代模式（Alternate Mode，簡稱“Alt Mode”）、外設模式（Accessory Mode）、結構化VDM（Structured VDM）以及非結構化VDM（Unstructured VDM）等大量術語使得消費者和技術人員摸不著頭腦。這些術語定義了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個引腳分別專門用于供電和接地。“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。

　　對稱的連接

　　USB Type-C接口是對稱的，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的主要煩惱。以前接口的種類預示著附屬設備的功能（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線纜兩端的接口是相同的，因此線纜的插拔得以簡化。

　　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均會使用到一組SuperSpeed USB信號傳輸連接。

　　通道配置

　　USB Type-C接口包含2個通道配置（Channel Configuration）信號引腳（CC1 & CC2），用于功能協商。上述信號確定接口插入方向，并用于協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。某些引腳可根據產品類型重新指派功能。當中黃色標注部分的引腳可通過全功能的USB Type-C線纜進行重新配置。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CC通道上的協商實現。接口可進入兩種模式，外設模式和替代模式。要進入外設模式，CC通道上將進行簡單的邏輯檢測以確定需要哪種外設模式。要進入替代模式，CC通道上將使用雙相符號編碼（Biphase Mark Code， BMC）進行雙向通信以正確地設置鏈路。在這個協商過程中，兩端的設備均需要在進行任何改變之前對信號的重新分配協商一致。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USB 2.0（D+/D-）引腳傳輸模擬音頻信號（R/L），同時通過邊帶通道（SBU1或 SBU2）中的一條來接收來自外部音頻源的麥克風信號。外設模式在不遠的將來預計很有可能會支持數字音頻。外設模式需要使用簡單的直流電平電壓比較器來檢測鏈路要求哪種外設模式。該檢測塊將由音頻源設備實現。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關，并在通過相同引腳傳輸音頻時隔離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USB Type-C接口傳輸音頻。

　　圖2：系統框圖——通過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USB Type-C接口傳輸。每個USB Type-C接口（有能力支持供電）在新建連接時可發送最多6個PDO。隨后接收設備篩選這6個PDO，在確定合適的電壓和電流配對后建立供電協議，從而實現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USB Type-C接口的供電和用電設備時必須仔細確認它們的功能以及要求，以實現最快的充電。否則消費者將有可能會遇到只有1個PDO匹配的局面，即5V @ 900mA（4.5W）。由于上述情況，未來的開發會讓用戶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USB Type-C接口協商來傳輸非USB數據的另一種可選方式。目前已有2款與USB開發者論壇（USB Implementers Forum）達成合作協議的標準化替代模式——DisplayPort和MHL？，由其所屬的標準組織開發。Thunderbolt 3是Intel開發的私有替代模式。DisplayPort和 MHL致力于將支持USB Type-C的產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的集成功能可提供USB Type-C接口上最高級的協議支持，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，可驅動兩個4K 60 fps顯示屏或一個5K 60 fps顯示屏。

　　DisplayPort更注重視頻分辨率，致力于通過單個USB Type-C接口傳輸8K分辨率視頻。DP1.3能夠提供32.4Gbps速率，支持無損視頻數據，VESA FAQ頁面提供的信息表明其可滿足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損的視頻信號。在未經壓縮的情況下，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）技術后，MHL可支持高達72Gbps的速率，滿足8K 60 fps 4:4：4視頻傳輸的帶寬需求，這使得MHL成為滿足有效視頻帶寬需求的首選。DSC是基于行的壓縮算法，可提供視覺無損的解決方案，同時最小化使用壓縮技術后的視頻延遲。圖3展示了使用DSC前和使用DSC后的圖像實例。

　　圖3：右側圖片按照DSC規范進行了2.5x壓縮，左側圖片未經壓縮。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還需要替代模式協商芯片，如萊迪思最新的USB Type-C接口控制器產品。由于沒有對相關標志的強制性規定，消費者在購買產品之前需要閱讀產品文檔來了解產品支持哪些替代模式，避免發生購買了 DisplayPort產品卻要將其連接到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二的。標準ID被指定為標準化替代模式，適用于整個USB Type-C生態系統（如MHL和DisplayPort）。供應商ID是唯一的，適用于某個企業，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，并在進入替代模式中普遍（但非必需）使用。

　　舉個例子，如果設備進入了替代模式，那么它可能持續發送結構化VDM以管理替代模式的運行。不過有些指令的需求是很難用結構化VDM來支持的。

　　消費者培養

　　USB Type-C接口成功的關鍵在于教育消費者以及培養他們的關注度。在首次面對消費者時應當著重強調USB Type-C接口的全新優勢：

　　·正反皆可的插拔和線纜方向。

　　·靈活和快速的充電，根據USB供電協議支持高達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USB Type-C充電器時需要確認充電器是否滿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沒有強制規定，所以消費者需要確認產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有強制規定，所以消費者也要確認產品支持哪種或哪些替代模式（如MHL、DisplayPort或Thunderbolt）。