USB:解密信号,连接器和电源传输差异

基于谷歌Chrome OS的Pixelbook的动机之一就是它能让我对其最新一代外部接口进行动手评估:

Pixelbook是USB-C基于它,这将使我能够在绝对意义上和相对于USB世代前体和Thunderbolt替代方案中测试这种最新接口标准的传输带宽和功率分配能力。

严格地说,要明确的是,Pixelbook并不代表我第一次接触USB Type-C(简称“USB-C”)。我的两款Google Pixel智能手机,以及我妻子的Pixel XL,所有这些都包括它作为微型USB的继承者(在我的情况下,在她的情况下,Lightning在她的情况下)与前体手机使用的连接器。但在所有这些情况下,USB-C迄今为止仅被充当充电端口(本文稍后将详细介绍该主题)。

Google Pixelbook包括两个USB-C连接器,两个连接器,也可以利用USB-C进行充电。但由于它不提供任何其他有线接口端口,除非你计算模拟音频插孔,它也是使用USB-C用于外围设备(外部显示器,存储卡读卡器,鼠标等)和网络(有线以太网等)连接目的。由于只有两个USB-C端口,其中一个通常用于交流(源,直流转换)供电,您可以想象多端口扩展集线器通常也会混合使用。

在研究USB-C及其替代品和前代产品时,我发现标准的各个方面存在大量不正确的混合,以及许多其他不准确之处; 例如,接口信令(和相关的传输速率速度),物理连接器特性和功率传输能力。这篇博文的目的是简要介绍一下这些主题的排序。有关更多详细信息,请参阅USB Implementers Forum网站 ; Wikipidia的USB入口也是一个很好的起点,可以深入了解细节。

信令

USB 1.0于1996年1月公开发布; 是的,我在读这些文字的时候感觉自己像读这些文字一样老了。它的适度增强,更广泛采用的继任者,USB 1.1,在两年半后到达现场。一个四线半双工(由主机仲裁)总线,它有两个峰值声称传输速率选项(虽然实际实现明显低于此):1.5 Mbps 低速(用于鼠标,操纵杆等)和12 Mbps 全速(用于硬盘驱动器等)。

USB 2.0于2000年4月发布,向后兼容USB 1.x并增加了480 Mbps的高速传输速率模式。与USB 2.0一起推出的小尺寸连接器选项(继续阅读以获取更多详细信息)也可选择支持五线OTG(On-The-Go)规格变体,允许两个USB设备直接相互通信而无需需要中间USB主机。

2008年11月发布的USB 3.0再次向后兼容USB 1.x和USB 2.0,从传输速率模式的角度来看。它将引脚数量扩展到最少9条线路,另外4条线路实现了两个差分数据对(一个发送器,一个接收器,用于全双工支持),用于支持新的5 Gbps SuperSpeed传输模式。它随后被重命名为USB 3.1 Gen 1,与2013年1月宣布的USB 3.1 Gen 2相称,它将最大数据信号速率提高到10 Gbps(称为SuperSpeed +),同时通过协议从8b / 10b变为128b / 132b来降低编码开销。

甚至最近,在2017年夏天准确的说,在USB 3.0推广小组宣布两个额外的USB 3.0的变种,在V3.2规范进行记录。它们都利用现有电缆线的多通道操作,最初旨在支持Type-C连接器的旋转对称性。USB 3.2 Gen 1×2使用8b / 10b编码在2个通道上提供10 Gbps SuperSpeed +数据速率,而USB 3.2 Gen 2×2结合2个通道和128b / 132b编码,支持20 Gbps SuperSpeed +数据速率。

连接器

说到连接器,标准的A型(主机)和B型(设备)“公”插头和相关的“母”插座,在USB首次发布后20多年,现在无处不在。它们共存以防止两个供电装置(A型)无意中直接相互连接。标记为USB 1.x的电缆通常也可用于USB 2系统。这些标准插头和插座的USB 3.x兼容版本为蓝色,表示其更高的引脚数和相应的SuperSpeed支持。

随着紧凑型数字音频播放器的出现,智能手机,平板电脑,便携式硬盘驱动器等也出现了对更小型USB连接器的需求。mini-USB(2000年4月发布,与USB 2.0一起发布)和后续micro-USB(2007年1月)标准响应了这一需求。在这两种情况下,GND从引脚4(标准A型和B型)移至引脚5,引脚4现在用于支持可选的On-The-Go支持。这两种较小的USB连接器格式的Type-A变体几乎没有采用; 更一般地说,micro-USB已经在新产品设计中大大取代了mini-USB。Micro-USB的SuperSpeed兼容版本大约是宽度的两倍,并且细分为两个部分,为额外的五个引脚留出空间(两个差分数据对加上GND)。

早期提到的最新USB连接器版本是Type-C(通常用USB-C快捷方式表示)。它解决了一个长期以来用户对USB的抱怨,插头和插座的配合是单向的(即你不能将插头插入插座“倒置”)。Apple以其专有的可逆闪电标准和USB-C(与USB 3.1信令标准大致同时开发,虽然不同于此)也解决了这一抱怨。引用维基百科,“24针双面连接器提供四个电源 - 接地对,两个差分对用于USB 2.0数据总线(尽管只有一对用于C型电缆),四对用于SuperSpeed数据总线(仅两对)用于USB 3.1模式),两个“边带使用”引脚,用于有源电缆的VCONN +5 V电源,以及用于电缆方向检测和专用双相标记代码(BMC)配置数据通道的配置引脚。

Apple MacBook USB-C端口
2015 Apple MacBook USB-C端口。来源:Maurizio Pesce,flickr
电源传输

USB的电源传输功能已经增加,并且随着信号和连接器规格的演变而不断发展。试图在几个简短的段落中简明扼要地全面总结它们是徒劳的; 有关详细信息,我将向您推荐
维基百科的多部分描述(其中每个部分都引用了一个专门的维基百科页面以获取更多信息)细节)。可以说最新的高功率单通道USB 3.x连接能够从主机向设备提供高达4.5W(900 mA @ 5V)的电流; 例如,通常与USB HDD一起使用的Y型连接器双主机到单个设备电缆可以进一步提高所提供的电流但是非标准。专用的单通道充电器“主机”可通过电池充电规格提供高达7.5W的功率,同样为5V。

基于USB-C连接器的产品可将其高达15W(再次为5V)。通过2012年7月以v1.0形式发布的Power Delivery(PD)规范,最近更新到v3.0,micro-USB和USB-C连接能够通过组合处理高达100W的功率传输。提升电流和四种不同的电压选项; 传统5V,加9V,15V和20V。充电源和宿设备在启动连接时协商它们各自的能力和要求。也许不出所料,全功能的USB-PD电缆,标记为与标准电缆区别开来,因此往往比传统的电缆替代品更昂贵。如此高功率的有效载荷,虽然对智能手机和其他小容量电池产品来说可能是不必要的,

Thunderbolt 3怎么样?

由Apple和I​​ntel共同开发的Thunderbolt规范在标准的v1和v2迭代中使用(相对不常见的)光学物理层或(更常见的)铜线与迷你DisplayPort连接器相结合。只有铜选项允许传输数据和电源; 光学版本的主要优点是延长了电缆长度。数据传输协议选项是PCI Express和DisplayPort。

Thunderbolt 3,在2015年底开始在英特尔芯片组中推出,支持切换到USB-C连接器,同时使用PCI Express v3协议技术将传输带宽进一步提升至40 Gbps。它与v1和v2 Thunderbolt向后兼容(通过适配器),它还支持USB v1和v2,以及10 Gbps USB 3.1 Gen 2。它甚至可以理解高达100W的USB-PD。但竞争对手AMD尚未表现出采用它的倾向,尽管英特尔在一年多前通过非独家免版税许可证广泛开放了该行业的规格。

那有什么困惑呢?

如前所述,最近几周我发现了很多关于USB(一般情况下,特别是USB-C)的不正确信息,因为我在收购Pixelbook时已经完全加快了标准的速度。以下是两个常见的混淆示例:
  • 5 Gbps的超高速和10 Gbps的SuperSpeed +能力也没有需要使用USB-C的,无论你可能会读相反的东西。USB Type-A,Type-B和micro-USB的USB 3.1 Gen 1和Gen 2变体也具有这些速度,假设它们所连接的芯片组也支持它们。这里唯一的“但是”涉及最新的USB 3.2 Gen 1×2和Gen 2×2标准,这些标准需要USB-C连接器和布线选件中包含的额外引脚(和电线)。
  • 另一方面,USB-PD支持确实需要USB-C或更宽,更高(且相对不常见)的micro-USB引脚数变体。标准Type-A和Type-B,以及mini-USB和传统版本的micro-USB,无法理解更高电压选项或提供USB-PD更高功率有效载荷所需的更高电流。

在即将发布的帖子中,我将分享我的研究成果,即各种电缆,充电器,适配器“加密狗”以及我选择用来配置我的Pixelbook的集线器。在那之前,我一直欢迎你的想法!
 

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