USB Type-C详解

Blah

自从Apple发布了新MacBook，就一堆人在说USB Type-C。我来从硬件角度解析下这个USB Type-C，顺便解惑。
: _9 K. H. J- ?7 R3 }( ^/ z特色: w! @  c4 Z0 o8 X* Y
9 v. H$ f( {/ a尺寸小，支持正反插，速度快（10Gb）。这个小是针对以前电脑上的USB接口说的，实际相对android机上的microUSB还大了点：( ?# d+ {1 F- |9 t
USB Type-C：8.3mmx2.5mm: e& M7 a4 H+ i% c$ ?$ j
microUSB：7.4mmx2.35mm
; J  A1 j+ W) S% b而lightning：7.5mmx2.5mm
' x8 ^; ?: k' r1 ~' Z+ ]所以，从尺寸上我看不到USB Type-C在手持设备上的优势。而速度，只能看视频传输是否需要了。
" i! U; u* r, g8 Q+ e2 k引脚定义
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3 E# N% n8 e+ ^+ j1 H7 |可以看到，数据传输主要有TX/RX两组差分信号，CC1和CC2是两个关键引脚，作用很多：
? 探测连接，区分正反面，区分DFP和UFP，也就是主从
$ P1 Q2 h* ?* k. m# s4 z? 配置Vbus，有USB Type-C和USB Power Delivery两种模式
2 v" t! e5 \4 p3 e/ g- \? 配置Vconn，当线缆里有芯片的时候，一个cc传输信号，一个cc变成供电Vconn  t( k0 _8 @: l5 U4 ?9 C: k$ c
# ^6 B5 B/ P7 z. r: S? 配置其他模式，如接音频配件时，dp，pcie时
" O* ~8 F" L$ _1 t4 @- a电源和地都有4个，这就是为什么可以支持到100W的原因。' G" u2 N, i; l

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不要看着USB Type-C好像能支持最高20V/5A，实际上这需要USB PD，而支持USB PD需要额外的pd芯片，所以不要以为是USB Type-C接口就可以支持到20V/5A。
- c4 V7 Z2 `5 ^2 d( K7 E当然，以后应该会出现集成到一起的芯片。
8 w! ~/ A, X6 i: ?辅助信号sub1和sub2（Side band use），在特定的一些传输模式时才用。
d+和d-是来兼容USB之前的标准的。  D! v) Q! F  f$ d+ |1 C
" y1 L! h$ s7 F3 j3 h7 ~, |这里说一下，USB3.0只有一组RX/TX，速度是5Gb，USB Type-C为了保证正反都可以插就用了两组，但实际上数据传输还是只用了一组RX/TX,速度就已经达到10Gb了。如果后面升级协议，两组都传的话就和DisplayPort一样20Gb了。
' ]( X# K2 d6 Q: J% p# T2 G工作流程

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" u4 E8 y" \$ Z  ~( ]上图DFP (Downstream Facing Port)也就是主，UFP (Upstream Facing Port)为从。除了DFP、UFP，还有个DRP (Dual Role port)，DRP可以做DFP也可以做UFP。当DPR接到UFP，DRP转化为DFP。当DRP接到DFP，DRP转化为UFP。两个DRP接在一起，这时就是任意一方为DFP，另一方为UFP。
' W9 l' O& H3 r6 M9 O5 B在DFP的CC pin有上拉电阻Rp，在UFP有下拉电阻Rd。未连接时，DFP的VBUS是无输出的。连接后，CC pin相连，DFP的CC pin会检测到UFP的下拉电阻Rd，说明连接上了，DFP就打开Vbus电源开关，输出电源给UFP。而哪个CC pin（CC1，CC2）检测到下拉电阻就确定接口插入的方向，顺便切换RX/TX。
电阻Rd=5.1k，电阻Rp为不确定的值，根据前面的图看到USB Type-C有几种供电模式，靠什么来甄别？就靠Rp的值，Rp的值不一样，CC pin检测到的电压就不一样，然后来控制DFP端执行哪种供电模式。# C. S1 `9 \) f
需要注意的是，上图里画了两个CC，实际上在不含芯片的线缆里只有一根cc线。
含芯片的线缆也不是两根cc线，而是一根cc，一根Vconn，用来给线缆里的芯片供电（3.3V或5V），这时就cc端没有下拉电阻Rd，而是下拉电阻Ra，800-1200欧。
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2 I- Q. C0 K4 ?( K; k当CC pin两个都接了下拉电阻<=Ra，DFP进入音频配件模式，左右声道，mic都俱全，如上图。. O' ?, @: n2 F
USB Type-C和DisplayPort，PCIE
+ @9 ~# ]4 ]$ t' e6 fUSB PD是BMC编码的信号，而之前的USB则是FSK，所以存在不兼容，不知道目前市面上有没有能转换的产品。
USB PD是在CC pin上传输，PD有个VDM (Vendor defined message)功能，定义了装置端ID，读到支持DP或PCIe的装置，DFP就进入替代（alternate）模式。
如果DFP认到device为DP，便切换MUX/Configuration Switch，让Type-C USB3.1信号脚改为传输DP信号。AUX辅助由Type-C的SBU1,SUB2来传。HPD是检测脚，和CC差不多，所以共用。
9 S# y, F: H) l' B0 h0 m% c2 h而DP有lane0-3四组差分信号，Type-C有RX/TX1-2也是四组差分信号，所以完全替代没问题。而且在DP协议里的替代模式，可以USB信号和DP信号同时传输，RX/TX1传输USB数据，RX/TX2替换为lane0,1两组数据传输，此时可支持到4k。# U1 H$ b4 E+ A9 Y! P/ K
4 |/ C- x: j; V+ y7 F' D( J如果DFP认到device为DP，便切换MUX/Configuration Switch，让Type-C USB3.1信号脚改为传输PCIe信号。同样的，PCIe使用RX/TX2和SBU1,SUB2来传输数据，RX/TX1传输USB数据。
3 L% z. G5 E5 U) n( c这样的好处就是一个接口同时使用两种设备，当然了，转换线就可以做到，不用任何芯片。
/ `# M4 }2 L- N0 b4 w2 W总结& e( _9 ~4 n4 ]2 d$ f
USB Type-C终结了长期以来USB插来插去的缺陷，节省了人们大量的时间，换一次方向至少2s吧，按全球10亿人每天插拔一次USB，50%概率插错，共耗时277000多小时，约为31年，太恐怖了。
一个接口搞定了音视频数据三种，体积还算小。可以预见，以后安卓机可以改为USB Type-C接口了，如果只需要USB2.0的话，只需要重做线缆，不用芯片，成本上完全可以忽略不计。# O: J4 Q0 }- u. O% Y
至于Thunderbolt，lightning，该怎样还是怎样吧，毕竟百花齐放才是五彩的世界。# G3 q, Q&
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