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)走過了21個年頭。在這21年的時間了，USB標(biāo)準(zhǔn)化組織（USB?Implementers Forum，USB-IF）折騰出來了各式各樣、五花八門的接口形態(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，吐槽時間結(jié)束，因為本文的主角不是過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：

因為它有自己獨立的、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）。

為什么會這樣的呢？當(dāng)然是因為它有獨特之處了，具體請參考本文后續(xù)的描述。

2. 概述

我們接著上面的問題講。

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，如信號的個數(shù)、接口的形態(tài)、電氣特性、等等，這些特性一旦固定，就沒有更改的需求了，這就導(dǎo)致了：

1）這些接口規(guī)范不需要單獨存在（因為沒有更新、演化的要求），“隨便”在USB規(guī)范的哪個章節(jié)交代一下就行了。

2）同時存在五花八門、種類繁多的接口（因為不能更新、演化啊，一旦新需求出現(xiàn)，只能再搞一個新的了）。

到USB Type C的時候，USB標(biāo)準(zhǔn)化組織的這些家伙突然開竅了（管他主動開竅還是被動開竅，反正是開竅了），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，變成了一個可以和USB規(guī)范平起平坐的新規(guī)范。

大家估計會很好奇，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，因為它的高度只有3mm

▲?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U盤到電腦中：哦，好像插不進(jìn)去，反過來試試；嗯？還是插不進(jìn)去，再反過來試試；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)，并不是一個空手套白狼的買賣，是要付出代價的，因為需要一個稱作“Configuration Process”的過程解決如下的兩個問題：?
???? □ 插頭可以隨便插，因而需要一套檢測插入方向的機(jī)制，并可以通過插入方向動態(tài)的map管腳信號以便進(jìn)行后續(xù)的通信?
???? □ 線纜的兩端一模一樣，就無法區(qū)分所連接的兩個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”是使用兩個稱作CC（CC1和CC2）的管腳進(jìn)行的，利用不同電壓，傳遞一些簡單的信息，以滿足上面的需求。?
???? □ 后來，一個稱作USB PD（Power Delivery）[3]的規(guī)范出現(xiàn)了，它在這兩個管腳上實現(xiàn)了一種簡單的、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，這個通信協(xié)議就是打開新世界的鑰匙?；谒?，更多有意義的事情出現(xiàn)了（因此，USB Type C可以單獨存在了），例如?
???? □?支持?jǐn)U展功能。通過擴(kuò)展功能，USB Type C接口擁有了無線的想象空間，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。從這個角度看，USB Type C不僅僅是成功上位（從USB規(guī)范中獨立出來），而是成功逆襲（凌駕于USB規(guī)范之上），格局?。?！

對USB Type C有個基本的了解之后，我們再簡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、等特性的平臺和設(shè)備。?
b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平臺和設(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、等特性的平臺和設(shè)備。?
b）USB 2.0 Type-C插頭，只可以用在支持USB2.0的平臺和設(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 管腳及信號的定義

USB Type-C接口有24個管腳，插座和插頭在管腳信號的定義上有一點點的不同，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)

以上信號按照功能可以分為5類：

1）Power有關(guān)的信號，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（只有在插頭上才會有該信號），用于向插頭供電（由此可以推測出有些插頭中可能會有電路）。?
???? c）GND，接地。

2）USB 2.0數(shù)據(jù)線，D+/D-。它們在插頭端只有一對，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，對插頭來說，只有一個CC，對插座來說，有兩個CC1和CC2。

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

注2：對于3.1中所描述的不同類型的插座和插頭，這24個管腳以及信號不一定全部使用，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個管腳信號中，Power類（GND/VBUS）和數(shù)據(jù)類（D+/D-/TX/RX）是完全對稱的（對Power來說，無論怎么插，都是一樣；對數(shù)據(jù)線來說，簡單的路由一下，就可以工作）。剩下的，包括CC、SBU和VCONN，用于方向、線類型等檢測，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時代，事情的本質(zhì)還在，不過名字稍微有些調(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data role switch過程更改（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VBUS或者VCONN供電。

Sink，通過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過程決定。

3.5 連接檢測

USB Type-C的連接檢測包括3部分的內(nèi)容：

連接檢測；

連接方向檢測；

Power Role檢測。

這三部分都是通過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)請參考[2]中的說明，本文不詳細(xì)羅列了）：

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

▲ 正常情況下，只有一個CC，兩個Type-C端口連接到一起之后，只會存在一個CC連接。通過檢測哪一個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），一個用做CC，另一個用作Vconn，檢測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VCONN供電的USB電纜（Powered cable）為了讓Source檢測到（以便通過VCONN為它供電），需要在CC腳接下拉電阻Rd，并在Vconn串接一個電阻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)，表示沒有Sink連接。

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

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

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

4）Source檢測到Sink的連接（及方向）后，會向Vbus和Vconn供電。之后：

Sink通過檢測Vbus來確定Source的連接。

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

5）Source檢測到不帶Sink的Powered cable的連接后，不會向Vbus或者Vconn供電。

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

3.6 Power role檢測

上面的過程，是基于某個port作為Source，另一個port作為Sink為假設(shè)的。實際上，某一個Type-C port可能是DRP port，怎么辦呢？簡單：

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

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

另外，Type-C規(guī)范也提供了一個后悔藥，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)在動態(tài)檢測的過程中，自己變成了一個自己不喜歡的角色，還可以執(zhí)行一個Try.SRC或者Try.SNK的過程，嘗試變成自己喜歡的角色。如果碰巧對方認(rèn)可你作為這個角色，OK，萬事大吉。

注4：到目前為止（在沒有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（因為Type-C規(guī)范沒有提供多余的機(jī)制去單獨的協(xié)商data role）。

3.7 USB PD協(xié)議

正確連接后，雙方通過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（誰通過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