USB接口規(guī)范介紹！USB Type-C連接器規(guī)范

USB Type-C接口有可能成為未來很多筆記本電腦、智能手機(jī)的唯一數(shù)據(jù)接口，但是這些僅有USB接口的設(shè)備仍必須那些沒有USB接口的設(shè)備進(jìn)行交互，比如顯示器、電視機(jī)等。但單個連接器中實現(xiàn)USB和其他高速接口格式的轉(zhuǎn)換給設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)，包括管腳功能間的切換，提供電磁保護(hù)比如ESD，維護(hù)信號質(zhì)量。USB Type-C通過定義備選模式（Alt Mode）來滿足這些需求，這種方法能夠動態(tài)的更改管腳的功能，從而支持非USB的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

本文探討了各種不同標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)能夠讓USB Type-C連接到HDMI或其他非USB形式的數(shù)據(jù)接口，并提供了將HDMI可選模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的關(guān)鍵問題。

USB接口規(guī)范介紹

HDMI管理著USB Type-C可選模式的操作，最新版本的USB標(biāo)準(zhǔn)是2016年底發(fā)布的，總共包括以下三部分：

USB Type-C連接器規(guī)范

USB Type-C連接器規(guī)格介紹了相比Type-A和Type-B版本一些重大的改變，就我們一般人看來有兩個特點很突出：

? Type-C接口尺寸為8.3mm x2.5mm，相比USB Type-A和Type-B要小很多，但是它包含24個管腳，而之前的版本只有4個管腳

? Type-C接口是可逆的，不分正反方向的，為了實現(xiàn)這一點，Type-C接口管腳的是對稱的，無論那一面在上，所有的信號管腳都處在相同的相對位置上。

USB Tyep-C接口可以通過切換D+/D-和VBUS/GND管腳排列與USB2.0系統(tǒng)實現(xiàn)交互，這些管腳還涉及到規(guī)范中定義的新功能（包括可選模式）的管腳，圖1展示的是Type-C連接器標(biāo)準(zhǔn)和可選模式管腳映射。

圖1：USB Type-C管腳圖顯示了可選模式設(shè)計（來源：TI）

USB Type 3.1規(guī)范

USB Type 3.1規(guī)范更新了USB的電氣性能，將數(shù)據(jù)傳輸速率提升到了10Gbps（規(guī)范中稱為SuperSpedd+），這需要兩個專用的高數(shù)數(shù)據(jù)差分管腳TX和RX，該規(guī)范還將基準(zhǔn)功率提升到了5V150mA。

USB功率傳輸規(guī)范

USB功率傳輸規(guī)范（USB PD）定義了可選模式，同時也將可傳輸功率提升到100W，并極大的擴(kuò)展了設(shè)計人員可用的功率傳輸范圍，當(dāng)與USB Type-C線纜一起使用時，USB PD增加了兩個設(shè)備間的雙向功率，由于Type-C配置通道（CC）管腳上的通信通道，這個雙向功率甚至可以實時發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

盡管這三個規(guī)范是相互獨立的，但支持HDMI協(xié)議的USB系統(tǒng)必須能夠同時支持Type-C和USB PD規(guī)范。此外每個重新映射的管腳必須能夠支持其對應(yīng)的HDMI 1.4協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率。

HDMI 1.4數(shù)據(jù)傳輸速率

HDMI 1.4總共有六個數(shù)據(jù)通道，分為四種不同的數(shù)據(jù)速率：

1

? HDMI以太網(wǎng)和音頻通道（HEAC）：高速雙向的數(shù)據(jù)通信通道，支持100Base-TX（100Mbps），HEAC包括符合IEC 60958-1規(guī)范的流媒體音頻組件

2

? TMDS（轉(zhuǎn)換最小化差分信號）：三個差分?jǐn)?shù)據(jù)通道，用于高速視頻和數(shù)據(jù)傳輸，HDMI 1.4的最大吞吐量為10.2Gbps或者單通道3.4Gbps

3

? DDC（顯示數(shù)據(jù)通道）：它是基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議的通信通道，標(biāo)準(zhǔn)速率為100Kbps，數(shù)據(jù)源設(shè)備能夠識別支持的音頻/視頻格式

4

? CEC（消費端電子控制）：屬于低速數(shù)據(jù)通道，允許用戶控制多大15個兼容的設(shè)備，此數(shù)據(jù)通道符合CENELEC EN 50157-1規(guī)范

HDMI接口管腳映射

標(biāo)準(zhǔn)的HDMI Type-A接口如圖2所示，圖3顯示的是支持HDMI可選模式USB Type-C接口新的管腳定義。它包括的三個TMDS差分通道和時鐘信號映射到八個USB TX/RX管腳上，兩個SBU管腳屬于HEAC通道，CC管腳承擔(dān)低速CEC信號，注意D+/D-管腳并不會受此影響，因此USB2.0數(shù)據(jù)通道可以和HDMI并行工作。

圖2：HDMI Type-A接口一共有19個管腳，包括三個高速數(shù)據(jù)通道而且有屏蔽雙絞線設(shè)計（來源：How Stuff Works.COM）

圖3：USB Type-C可選模式接口中HDMI通道的管腳映射（來源：HDMI.org）

初始化HDMI可選模式

USB PD規(guī)范定義了進(jìn)入可選模式所需的操作順序，當(dāng)用戶在兩個USB PD端口之間連接一個活動的Type-C線纜時，會在CC通道上發(fā)生一系列的判斷操作（如圖4），協(xié)商確定采用USB模式還是可選模式以及采用哪一種可選模式標(biāo)準(zhǔn)，一組特定的供應(yīng)商定義的消息（VDMs）會用來確定要使用的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4：當(dāng)USB PD端口首次識別出另一個USB PD端口的存在時就會進(jìn)行協(xié)商，從而確定采用哪種傳輸協(xié)議以及數(shù)據(jù)格式（來源：TI）

雖然有些是HDMI操作不需要的，但是協(xié)商判斷還包括其他USB PD功能，比如確定所需的功率大小以及傳輸方向。一旦初始化完成確定了HDMI所需的協(xié)議要求，兩個端口根據(jù)需要對管腳進(jìn)行映射，HDMI可選模式才開始正常工作。

HDMI可選模式架構(gòu)

USB Type-C接口要想集成HDMI還需要增加哪些硬件組件呢？圖5顯示的是USB PD接口的結(jié)構(gòu)圖，其中可選模式必備組件已經(jīng)高亮顯示了，注意盡管沒有指定USB PD接口的功率級別，啟用可選模式也需要同CC信號進(jìn)行協(xié)商，因此USB PD PHY和PD管理仍然是必須包含的：

1

? 可選模式物理層設(shè)備（PHY）從高級圖形處理單元（GPU）中獲取視頻信息，并將其進(jìn)行編碼通過三個TMDs差分?jǐn)?shù)據(jù)線傳輸

2

? 可選模式復(fù)用器（MUX）支持在HDMI AM和USB兩種模式之間進(jìn)行切換，對于HDMI應(yīng)用它連接HDMI信號給符合標(biāo)準(zhǔn)的Type-C接口管腳，對于USB 3.1應(yīng)用它連接的是RX/TX信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向進(jìn)行切換。

圖5：在USB Type-C接口上集成可選模式需要額外兩個模塊，如圖中綠色顯示（來源：Ti）