USB-C(USB Type-C)規(guī)范解析

1. 前言

從1996年1月USB1.0正式發(fā)布至今（2017年9月 USB3.2發(fā)布），USB已經(jīng)走過(guò)了21個(gè)年頭。在這21年的時(shí)間了，USB標(biāo)準(zhǔn)化組織（USB?Implementers Forum，USB-IF）折騰出來(lái)了各式各樣、五花八門(mén)的接口形態(tài)：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）、插頭（Plug）和線纜（Cable）三部分組成，再疊加上這些奇奇怪怪的規(guī)范，災(zāi)難就發(fā)生了：

A產(chǎn)品喜歡用Type A的插座，B產(chǎn)品偏偏喜歡Type B，連接它們的線纜就悲劇了，只能變成A-to-B的了。以此類推，A-to-A、B-to-B、A-to-MicroA、等等，于是我們的抽屜就擠滿了各種不明用途的USB線……

好吧，吐槽時(shí)間結(jié)束，因?yàn)楸疚牡闹鹘遣皇沁^(guò)去的那些奇奇怪怪的接口，而是最新的、紅到發(fā)紫的USB-C（也稱作USB Type C）規(guī)范。提起typec，它還真和它的A、B前輩們不太一樣：

因?yàn)樗凶约邯?dú)立的、自行演化的規(guī)范文件----USB Type-C Specification（2014年發(fā)8月布1.0版本，2017年7月發(fā)布1.3版本）。而前輩們就沒(méi)有這樣的待遇了，它們都依附于具體的USB規(guī)范（USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、等等）。

為什么會(huì)這樣的呢？當(dāng)然是因?yàn)樗歇?dú)特之處了，具體請(qǐng)參考本文后續(xù)的描述。

2. 概述

我們接著上面的問(wèn)題講。

Type C之前的規(guī)范（Type A、Type B、等等），偏重于USB接口的“硬”的特性，如信號(hào)的個(gè)數(shù)、接口的形態(tài)、電氣特性、等等，這些特性一旦固定，就沒(méi)有更改的需求了，這就導(dǎo)致了：

1）這些接口規(guī)范不需要單獨(dú)存在（因?yàn)闆](méi)有更新、演化的要求），“隨便”在USB規(guī)范的哪個(gè)章節(jié)交代一下就行了。

2）同時(shí)存在五花八門(mén)、種類繁多的接口（因?yàn)椴荒芨?、演化啊，一旦新需求出現(xiàn)，只能再搞一個(gè)新的了）。

到USB Type C的時(shí)候，USB標(biāo)準(zhǔn)化組織的這些家伙突然開(kāi)竅了（管他主動(dòng)開(kāi)竅還是被動(dòng)開(kāi)竅，反正是開(kāi)竅了），在定義USB接口“硬”的特性的基礎(chǔ)上，增加了一些“軟”的內(nèi)容，一下子就海闊天空了。至此，USB接口（僅僅指Type C）擺脫了和USB的從屬關(guān)系，變成了一個(gè)可以和USB規(guī)范平起平坐的新規(guī)范。

大家估計(jì)會(huì)很好奇，這家伙到底Get了什么新技能，從而成功上位了呢？讓我們簡(jiǎn)單總結(jié)一下（注意其中黃色高亮部分）：

▲ 定義一套新的接口形態(tài)（Receptacle/Plug/Cable）

▲ 插座（Receptacle）可以用在很薄的電子設(shè)備上，因?yàn)樗母叨戎挥?mm

▲?插頭（Plug）更容易使用了，可以正著插、反著插、隨便插、想怎么插怎么插，終于不再反人類了（想想之前，插一個(gè)U盤(pán)到電腦中：哦，好像插不進(jìn)去，反過(guò)來(lái)試試；嗯？還是插不進(jìn)去，再反過(guò)來(lái)試試；噢！終于插進(jìn)去了……流汗中……）

▲?線纜（Cable）也更容易使用了，兩端一模一樣（當(dāng)然，為了兼容、轉(zhuǎn)接舊有規(guī)范的除外），也是想怎么插就怎么插

▲ 插頭（Plug）和線纜（Cable）的改進(jìn)，并不是一個(gè)空手套白狼的買(mǎi)賣(mài)，是要付出代價(jià)的，因?yàn)樾枰粋€(gè)稱作“Configuration Process”的過(guò)程解決如下的兩個(gè)問(wèn)題：?
???? □ 插頭可以隨便插，因而需要一套檢測(cè)插入方向的機(jī)制，并可以通過(guò)插入方向動(dòng)態(tài)的map管腳信號(hào)以便進(jìn)行后續(xù)的通信?
???? □ 線纜的兩端一模一樣，就無(wú)法區(qū)分所連接的兩個(gè)USB設(shè)備的角色（Host or Device、等等），因而需要一套協(xié)商機(jī)制，以便讓兩端的USB設(shè)備進(jìn)行角色的溝通

▲ 以上的“Configuration Process”是使用兩個(gè)稱作CC（CC1和CC2）的管腳進(jìn)行的，利用不同電壓，傳遞一些簡(jiǎn)單的信息，以滿足上面的需求。?
???? □ 后來(lái)，一個(gè)稱作USB PD（Power Delivery）[3]的規(guī)范出現(xiàn)了，它在這兩個(gè)管腳上實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的、半雙工的通信協(xié)議，以完成USB power供給有關(guān)協(xié)商（有關(guān)USB PD，可參考相應(yīng)的規(guī)范[3]以及本站后續(xù)的文章）?？梢哉f(shuō)，這個(gè)通信協(xié)議就是打開(kāi)新世界的鑰匙。基于它，更多有意義的事情出現(xiàn)了（因此，USB Type C可以單獨(dú)存在了），例如?
???? □?支持?jǐn)U展功能。通過(guò)擴(kuò)展功能，USB Type C接口擁有了無(wú)線的想象空間，可以搖身變成任意其它協(xié)議的物理接口，例如配件接口、音頻接口、視頻接口、debug接口等等，大有一統(tǒng)天下之勢(shì)。從這個(gè)角度看，USB Type C不僅僅是成功上位（從USB規(guī)范中獨(dú)立出來(lái)），而是成功逆襲（凌駕于USB規(guī)范之上），格局?。。?/p>

對(duì)USB Type C有個(gè)基本的了解之后，我們?cè)俸?jiǎn)單分析一下它的主要特性（主要從軟件的角度，純電氣方面的內(nèi)容直接插規(guī)范就行了，這里不再羅嗦）。

3. 主要特性

3.1 接口形態(tài)（Receptacle/Plug/Cable）

為了實(shí)現(xiàn)自己的理想和抱負(fù)，USB Type C定義了新的接口形態(tài)。另外，為了兼容舊的接口以及一些特殊功能，它定義了不同形態(tài)的插座、插頭、線纜。主要包括：

1）定義了2種Type-C的插座

a）全功能的Type-C插座，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺(tái)和設(shè)備。?
b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平臺(tái)和設(shè)備上。

2）定義了3種Type-C插頭

a）全功能的Type-C插頭，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺(tái)和設(shè)備。?
b）USB 2.0 Type-C插頭，只可以用在支持USB2.0的平臺(tái)和設(shè)備上。?
c）USB Type-C Power-Only插頭，用在那些只需要供電設(shè)備上（如充電器）。

3）定義了3種標(biāo)準(zhǔn)的Type-C線纜

a）兩端都是全功能Type-C插頭的全功能Type-C線纜。?
b）兩端都是USB 2.0 Type-C插頭的USB 2.0 Type-C線纜。?
c）只有一端是Type-C插頭（全功能Type-C插頭或者USB 2.0 Type-C插頭）的線纜。

4）為兼容舊設(shè)備而定義的線纜或者適配器

a）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插頭。?
b）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-A插頭。?
c）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-B插頭。?
d）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-B插頭。?
e）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Mini-B插頭。?
f）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Micro-B插頭。?
g）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Micro-B插頭。?
h）一種適配器，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插座。?
i）一種適配器，一端是USB 2.0 Type-C插頭，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，應(yīng)該能感受到之前的USB接口規(guī)范是多么的能折騰了吧？

3.2 管腳及信號(hào)的定義

USB Type-C接口有24個(gè)管腳，插座和插頭在管腳信號(hào)的定義上有一點(diǎn)點(diǎn)的不同，分別如下：

表格1：USB Type-C Receptacle Interface (Front View)

表格2：USB Full-Featured Type-C Plug Interface (Front View)

以上信號(hào)按照功能可以分為5類：

1）Power有關(guān)的信號(hào)，包括?
???? a）VBUS，USB線纜的bus power（和我們通常意義上VBUS保持一致）。?
???? b）VCONN（只有在插頭上才會(huì)有該信號(hào)），用于向插頭供電（由此可以推測(cè)出有些插頭中可能會(huì)有電路）。?
???? c）GND，接地。

2）USB 2.0數(shù)據(jù)線，D+/D-。它們?cè)诓孱^端只有一對(duì)，和舊的USB 2.0規(guī)范一致。但為了支持正反隨意插。在插座端定義了兩組，這樣插座端可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適的mapping。

3）USB3.1數(shù)據(jù)線，TX+/-和RX+/-，用于高速的數(shù)據(jù)傳輸。插頭和插座端都有兩組，用于支持正反隨意插。

4）用于Configuration的信號(hào)，對(duì)插頭來(lái)說(shuō)，只有一個(gè)CC，對(duì)插座來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)CC1和CC2。

5）擴(kuò)展功能所需的信號(hào)，具體使用場(chǎng)景由相應(yīng)的擴(kuò)展功能決定。

注2：對(duì)于3.1中所描述的不同類型的插座和插頭，這24個(gè)管腳以及信號(hào)不一定全部使用，具體可參考USB Type-C的規(guī)范[2]。

注3：大家可能注意到了，USB Type-C 24個(gè)管腳信號(hào)中，Power類（GND/VBUS）和數(shù)據(jù)類（D+/D-/TX/RX）是完全對(duì)稱的（對(duì)Power來(lái)說(shuō)，無(wú)論怎么插，都是一樣；對(duì)數(shù)據(jù)線來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的路由一下，就可以工作）。剩下的，包括CC、SBU和VCONN，用于方向、線類型等檢測(cè)，具體可參考后面的介紹。

3.3 USB port的Data Role

在USB 2.0及以前的時(shí)代，根據(jù)功能的不同，USB端口分為Host、Device、OTG（Host和Device二者皆可）、Hub等。在Type C時(shí)代，事情的本質(zhì)還在，不過(guò)名字稍微有些調(diào)整，分別稱作：

DFP（Downstream Facing Port），一般作為Host或者Hub，在初始配置下通過(guò)VBUS或者VCONN向device供電。

UFP（Upstream Facing Port），一般作為Device或者Hub，連接到Host上，初始配置下通過(guò)VBUS或者VCONN由Host供電。

DRD(Dual-Role-Data)，類似于以前的OTG，既可以作為DFP，也可以作為UFP。設(shè)備剛連接時(shí)作為哪一種角色，由端口的Power Role（參考后面的介紹）決定；后續(xù)也可以通過(guò)data role switch過(guò)程更改（如果支持USB PD協(xié)議的話）。

3.4 USB port的Power Role

根據(jù)USB port的供電（或者受電）情況，USB type c將port劃分為Source、Sink等power角色，具體如下：

Source，通過(guò)VBUS或者VCONN供電。

Sink，通過(guò)VBUS或者VCONN接受供電。

DRP(Dual-Role-Power)，既可以作為Source，也可以作為Sink。到底作為Source還是Sink，由設(shè)備連接后的Configuration Process（具體可參考后面的介紹）以及后續(xù)的power role switch過(guò)程決定。

3.5 連接檢測(cè)

USB Type-C的連接檢測(cè)包括3部分的內(nèi)容：

連接檢測(cè)；

連接方向檢測(cè)；

Power Role檢測(cè)。

這三部分都是通過(guò)USB Type-C接口的CC（CC1和CC2）管腳進(jìn)行的，原理總結(jié)如下（具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參考[2]中的說(shuō)明，本文不詳細(xì)羅列了）：

1）參考3.2小節(jié)的說(shuō)明，USB Type-C的插座有兩個(gè)CC（CC1和CC2），而插頭（或者說(shuō)USB cable），有兩種情況：

▲ 正常情況下，只有一個(gè)CC，兩個(gè)Type-C端口連接到一起之后，只會(huì)存在一個(gè)CC連接。通過(guò)檢測(cè)哪一個(gè)CC有連接，就可以判斷連接的方向。

▲ 如果是可供電的USB cable（Powered cable），一個(gè)用做CC，另一個(gè)用作Vconn，檢測(cè)方式參考后面的介紹。

2）不同功能的USB port，需要在CC1和CC2管腳上接不同的上拉或者下拉電阻，規(guī)則如下：

Source需要在CC1和CC2管腳接上拉電阻Rp（也可以使用電流源取代，本文就不介紹了），Rp的值可參考[2]中“Table 4-20 Source CC Termination (Rp) Requirements”的介紹。

Sink需要在CC1和CC2管腳接下拉電阻Rd，Rd的值可參考[2]中“Table 4-21 Sink CC Termination (Rd) Requirements”的介紹。

可以通過(guò)VCONN供電的USB電纜（Powered cable）為了讓Source檢測(cè)到（以便通過(guò)VCONN為它供電），需要在CC腳接下拉電阻Rd，并在Vconn串接一個(gè)電阻Ra（代表Vconn的負(fù)載）。

其它配件的規(guī)則，不再介紹了（可參考[2]中有關(guān)的章節(jié)）。

3）基于上面的規(guī)則，Source需要根據(jù)CC1和CC2的狀態(tài)（阻值）檢測(cè)Sink的連接及方向，規(guī)則如下：

如果CC1和CC2均為Open狀態(tài)，表示沒(méi)有Sink連接。

如果CC1和CC2中的一個(gè)的阻值為Rd（除去自己的Rp或者電流源的阻值）、另一個(gè)為Open，表示有Sink連接，連接的方向由哪一個(gè)CC為Rd決定。

如果CC1和CC2中的一個(gè)的阻值為Ra（除去自己的Rp或者電流源的阻值）、另一個(gè)為Open，表示有不帶Sink的Powered cable連接，連接的方向由哪一個(gè)CC為Ra決定。

如果一個(gè)CC的阻值為Ra，另一個(gè)為Rd，則表示有帶SInk的Powered cable連接，連接方向由哪個(gè)CC為Ra（Rd）決定。

4）Source檢測(cè)到Sink的連接（及方向）后，會(huì)向Vbus和Vconn供電。之后：

Sink通過(guò)檢測(cè)Vbus來(lái)確定Source的連接。

Sink檢測(cè)到連接后，同樣根據(jù)CC管腳的狀態(tài)檢測(cè)連接方向。

5）Source檢測(cè)到不帶Sink的Powered cable的連接后，不會(huì)向Vbus或者Vconn供電。

6）Source檢測(cè)到帶Sink的Powered cable的連接（及方向）后，會(huì)向Vbus和Vconn供電，Sink的行為后上面4)類似。

3.6 Power role檢測(cè)

上面的過(guò)程，是基于某個(gè)port作為Source，另一個(gè)port作為Sink為假設(shè)的。實(shí)際上，某一個(gè)Type-C port可能是DRP port，怎么辦呢？簡(jiǎn)單：

它可以在Source和Sink兩個(gè)狀態(tài)來(lái)回切換，在某一個(gè)狀態(tài)下的檢測(cè)邏輯，和上面3.5描述的完全一樣。

當(dāng)在Source狀態(tài)下，成功的檢測(cè)到Sink的連接時(shí)，則自己作為Source；當(dāng)在Sink狀態(tài)下成功檢測(cè)到Source的連接時(shí)，則自己作為Sink。

另外，Type-C規(guī)范也提供了一個(gè)后悔藥，雖然我是DRP（Source或者Sink都可以支持），但我更傾向于作為Source（或Sink）怎么辦？好辦：

當(dāng)在動(dòng)態(tài)檢測(cè)的過(guò)程中，自己變成了一個(gè)自己不喜歡的角色，還可以執(zhí)行一個(gè)Try.SRC或者Try.SNK的過(guò)程，嘗試變成自己喜歡的角色。如果碰巧對(duì)方認(rèn)可你作為這個(gè)角色，OK，萬(wàn)事大吉。

注4：到目前為止（在沒(méi)有USB PD協(xié)議參與的情況下），USB Type-C port的data role必須和power role保持一致（因?yàn)門(mén)ype-C規(guī)范沒(méi)有提供多余的機(jī)制去單獨(dú)的協(xié)商data role）。

3.7 USB PD協(xié)議

正確連接后，雙方通過(guò)CC管腳，使用USB PD（Power Delivery）協(xié)議，可以進(jìn)行后續(xù)配置和操作，包括：

Data Role的切換（類似USB OTG的切換）；

Power Role的切換；

Vconn role的切換（誰(shuí)通過(guò)Vconn向Powered cable供電）；

供電的調(diào)整；

等等（具體可參考[3]以及后續(xù)有關(guān)USB PD協(xié)議的介紹）。

4. 參考文檔

[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