Универсальный USB-C – почему он стал стандартом для интерфейса устройств
Использование единого стандарта для управления всеми устройствами – труднодостижимая цель в сфере персональных технологий. В лучшем случае вы окажетесь на поле войны форматов, на котором фракция побеждает в течение нескольких лет, пока её не уничтожит совершенно новая технология. VHS съел Betamax, затем был вытеснен DVD, который исчез перед лицом Blu-ray, стандарта, который сам по себе отбил рынок у своего главного конкурента – HD DVD, и теперь столкнулся с угрозой от потоковых онлайн-сервисов.
Но USB-C совсем другое дело. И, возможно, он даже станет истинно универсальным, как предполагает его аббревиатура (Universal Serial Bus).
Порты USB Type-C теперь можно найти на самых разных устройствах – от простых внешних жестких дисков до кабелей для зарядки смартфонов. Хотя все порты USB-C выглядят одинаково, не каждый из них предлагает одинаковые возможности. USB-C может появляться везде, но он не выполняет одинаковые функции везде.
Вот руководство по всему, что может сделать с USB-C, и какие из его функций вы должны искать при покупке вашего следующего устройства USB-C.
Назначение контактов
Контакты разъёмов на схемах показаны с внешней (рабочей) стороны, если обратное не оговаривается особо.
Порт содержит 24 контакта (12 контактов на каждой стороне). «Верхняя» линейка нумеруется A1…A12, «нижняя» — B1…B12. По большей части линейки идентичны друг другу, что и делает этот порт равнодушным к ориентации штекера. Контакты каждой линейки можно разбить на 6 групп: USB 2.0 , USB 3.1 , Питание , Земля , Согласующий канал и Дополнительный канал . А теперь рассмотрим подробнее.
• Собственно, USB 3.1. Линии высокоскоростной передачи данных: TX+, TX-, RX+, RX- (контакты 2, 3, 10, 11). Скорость до 10 Гб/с. В кабеле эти пары перекроссированы, и что для одного устройства является RX, другому представляется как TX. И наоборот. По особому распоряжению эти пары могут переквалифицироваться под другие задачи, например — под передачу видео.
• Старый добрый USB 2.0. Линии низкоскоростной передачи данных: D+/D- (контакты 6, 7). Этот раритет включили в порт ради совместимости со старыми тихоходными устройствами до 480 Мб/с.
• Плюс питания — Vbus (контакты 4, 9). Стандартное напряжение 5 вольт. Ток выставляется в зависимости от потребностей периферии: 0,5А; 0,9А; 1,5А; 3А. Вообще, спецификация порта подразумевает передаваемую мощность до 100Вт, и «в случае войны» порт способен питать монитор или заряжать ноутбук напряжением 20 вольт!
• GND — «Земля»-матушка (контакты 1, 12). Минус всего и вся.
• Согласующий канал (или конфигурирующий) — СС (контакт 5). Это главная фишка USB type-C! Благодаря этому каналу система может определить:
— Факт подключения/отключения периферийного устройства;
— Ориентацию подключенного штекера. Как это ни странно, но разъём не абсолютно симметричен, и в некоторых случаях устройству хочется знать его ориентацию;
— Ток и напряжение, которое следует предоставить периферии для питания или заряда;
— Необходимость работы в альтернативном режиме, например, для передачи аудио-видео потока.
— Кроме функций мониторинга этот канал в случае необходимости подаёт питание на активный кабель.
• Дополнительный канал — SBU (контакт 8). Дополнительный канал обычно не используется и предусмотрен лишь для некоторых экзотических случаев. Например, при передаче по кабелю видео, по SBU идёт аудиоканал.
USB 2.0
Любой кабель USB версии 2.0 и ниже имеет внутри 4 медных проводника. По двум из них передаётся питание, по двум другим — данные. Кабели USB (по стандарту) строго ориентированы: один из концов должен подключаться к хосту (то есть системе, которая будет управлять соединением) и называется он Type-A, другой — к устройству, он называется Type-B. Разумеется, иногда в устройствах (таких, как флешки) кабеля нет вообще, разъём типа «к хосту» располагается прямо на плате.
На стороне хоста существует специальный чип: контроллер USB (в настольных компьютерах он может быть как частью системной логики, так и вынесен в качестве внешней микросхемы). Именно он инициализирует работу шины, определяет скорость подключения, порядок и расписание движения пакетов данных, но это всё детали. Нас больше всего интересуют разъёмы и коннекторы классического USB-формата.
Самый популярный разъём, которым все пользовались — USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стараниями европейских стандартизаторов стала де-факто самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.
Ну а USB Type-A микро и миниформата наверное никто толком и не видел. Лично я навскидку не назову ни одного устройства с такими разъёмами. Даже фотографии пришлось из википедии доставать:
Все эти разъёмы объединяет одна простая вещь: внутри находится четыре контактных площадки, которые обеспечивают подключаемое устройство и питанием, и связью:
| Номер контакта | 4 | 3 | 2 | 1 |
| Обозначение | GND | D+ | D- | VBUS |
| Цвет провода | Чёрный | Зелёный | Белый | Красный |
С USB 2.0 всё более-менее понятно. Проблема стандарта заключалась в том, что двух проводников для передачи данных мало, да и разработанные в середине первого десятилетия спецификации не предусматривали передачу больших токов по цепям питания. Сильнее всего от подобных ограничений страдали внешние жёсткие диски.
Совместимость
Многие пользователи ошибочно полагают, что наличие USB Type-C в смартфоне или другом устройстве обеспечивает доступ ко всем вышеперечисленным возможностям, но это не так. Важно понимать, что USB Type-C – только разъем, а всевозможные реализации относятся к стандартам USB 3.1 Gen 1 и выше. Поэтому пред приобретением новой электроники уточните у производителя спецификацию разъема. Часто производители используют USB Type-C вместо microUSB. В таком варианте из нововведений доступна только установка кабеля любой стороной.
Порт USB Type-C располагает линиями USB 2.0 для обратной совместимости, что позволяет подключать устройства с устаревшей спецификацией. Такая техника работает в соответствии с заявленными возможностями, но расширенные функции USB 3.0 и выше недоступны.
Что такое USB Type-C в телефонах и смартфонах
Логотип интерфейса USB.
Для того чтобы разобраться с тем, что такое USB Type-C нужно сделать небольшой экскурс в историю данного интерфейса. USB или Universal Serial Bus – это компьютерный интерфейс, который появился в середине 1990-х годов и с тех пор активно применяется для подключения периферийных устройств к компьютеру. С появлением смартфонов данный интерфейс начал применяться и в них, немного позже USB начали использовать и в обычных мобильных телефонах с кнопками.
Изначально стандарт USB включал только два типа разъемов: Type-A и Type-B. Разъем Type-A использовался для подключения к устройству, на стороне которого использовался концентратор или контроллер USB интерфейса. Разъем Type-A наоборот, использовался на стороне периферийного устройства. Таким образом, обычный USB кабель включал в себя два разъема Type-A, который подключался к компьютеру или другому управляющему устройству, и Type-B, который подключался к периферийному устройству.
Кроме этого, как Type-A, так и Type-B имеют уменьшенные версии разъёмов, которые обозначаются как Mini и Micro. В результате получается достаточно большой список различных разъемов: обычный USB Type-A, Mini Type-A, Micro Type-A, обычный Type-B, Mini Type-B и Micro USB Type-B, который обычно использовался в телефонах и смартфонах и больше известен под названием Micro USB.
Сравнение разных разъемов.
С выходом третьей версии стандарта USB появилось еще несколько дополнительных разъемов, которые поддерживали USB 3.0, это: USB 3.0 Type-B, USB 3.0 Type-B Mini и USB 3.0 Type-B Micro.
Весь этот зоопарк разъемов уже не отвечал современным реалиям, в которых популярность набирали простые в использованию разъемы, такие как Lightning от Apple. Поэтому, вместе со стандартом USB 3.1 был представлен новый тип разъема под названием USB Type-C (USB-C).
Появление USB Type-C решило сразу несколько проблем. Во-первых, USB Type-C был изначально компактным, поэтому нет необходимости в использовании Mini и Micro версий разъема. Во-вторых, USB Type-C можно подключать как к периферийным устройствам, так и к компьютерам. Это позволяет отказаться от схемы, в которой Type-A подключался к компьютеру, а Type-B к периферийному устройству.
Кроме этого, USB Type-C поддерживает массу других нововведений и полезных функций:
- Скорость передачи данных от 5 до 10 Гбит/с, а с внедрением USB 3.2 эта скорость может вырасти до 20 Гбит/с.
- Обратная совместимость с предыдущими стандартами USB. Используя специальный переходник, устройство с USB Type-C разъемом можно подключить к обычному USB предыдущих версий.
- Симметричный дизайн разъема, который позволяет подключать кабель любой стороной (также как в Lightning от Apple).
- Кабель USB Type-C может использоваться для быстрой зарядки мобильных телефонов, смартфонов, а также компактных ноутбуков.
- Поддержка альтернативных режимов работы, в которых кабель USB Type-C может использоваться для передачи информации по другим протоколам (DisplayPort, MHL, Thunderbolt, HDMI, VirtualLink).
USB-C, что это такое
Простыми словами это разъем для подключения различных внешних устройств к компьютеру, телефону или других гаджетов. Сначала к данному разъему подключается двухсторонний USB-кабель или провод, который соединяет например, компьютер с другими внешними устройствами (Скрин 1).
По-другому разъем в данном проводе называют HDMI. Вот информация от Яндекса (скрин 2).
А USB разъем Type-C, это улучшенная версия USB-С, к которому можно подключить не одно периферийное устройство, а сразу несколько. Например, монитор компьютера, второй компьютер, телефон, планшет и другие устройства. Часто Type-C встречается в «переходниках». (Скрин 3).
Новый тип разъема Type-C, пока еще не доступен на всех компьютерах. Производители мобильных телефонов, компьютеров и ноутбуков, занимаются его внедрением в производство.
SOP-коммуникация
Связь Power Delivery начинается и заканчивается последовательностью специальных символов, называемых маркерами K-кода, которые определяют границы пакета. Они используются для специальных функций управления, таких как сброс.
Сообщение SOP
Начало каждого пакета PD начинается с SOP – Start of Packet. Они отправляются по линии CC.
А это преобразование ролей в USB-PD:
Инициированная DFP замена функции DR_SWAP
До создания спецификации USB PD USB-хост (например, ноутбук) всегда был источником питания, а USB-устройство (например, мышь) всегда было приемником энергии. Зарядка аккумулятора главного компьютера была отдельной операцией.
Спецификация PD значительно упростила схему и отдельно определила роли питания (V-BUS как источник и приемник питания) и данных (хост и USB-устройство). Таким образом стало возможным независимое переключение ролей питания и данных. Примером может служить ноутбук, который может заряжать телефон или заряжаться сам.
Инициированная источником замена функции PR_SWAP
Спецификация PD определяет три типа замены функций:
- Обмен данными ролей (DR_SWAP): переключение между функциями DFP и UFP. Он не изменяет Rp и Rd на линии CC, поскольку роли питания порта остаются неизменными.
- Power Role Swap (PR_SWAP): переключение между функциями источника и приемника. В то же время резисторы Rp и Rd на линии CC меняются местами.
- Swap V CONN (VCONN_SWAP): поменять местами источник V CONN (подача чипа E-mark).
На рисунке показана последовательность инициированного DFP сообщения, ведущего к замене DR_SWAP. Он может быть инициирован как DFP, так и UFP.
Примером может служить случай, когда для монитора USB Type C (DRP), подключенного к хосту, изначально установлено значение DFP / Source. Затем он обеспечивает энергию. Для правильной работы монитор должен оставаться UFP с хостом DFP. Своп DR_SWAP также может быть инициирован монитором.
Рассмотрим последовательность сообщений о завершении PR_SWAP, инициированных источником. Примером является замена PR_SWAP, когда монитор DR P, подключенный к портативному компьютеру DR P, изначально установлен как UFP / приемник.
В этом случае монитор сначала получает питание от хоста. Замена PR_SWAP необходима, чтобы монитор мог питать компьютер. Этот обмен может быть инициирован как монитором, так и компьютером.
DFP инициировал обмен VCONN_SWAP
На рисунке показана последовательность успешно завершенного свопа VCONN_SWAP. Он может быть инициирован как источником напряжения V CONN, так и приемником. Как видно, оба источника после сообщения Accept некоторое время будут активны одновременно.
Это связано с тем, что новый источник V CONN запускается с сообщением Accept перед командой PS_READY, а предыдущий отключается с помощью команды PS_READY. Такая последовательность включения V CONN в соответствии со спецификацией USB-PD и обеспечивает бесперебойное питание контроллера по кабелю. Кроме того, подключение двух источников V CONN предотвращается путем установки между ними диодного сумматора, отбирающего мощность только с одного из них.
