USB-C

USB-C

USB-C, 即 type-c 接口。

引脚定义

引脚定义图:

引脚功能说明:

USB-C 共 24p个引脚(pin),分为七个功能类型:

  • VBUS:四个电源引脚,允许高达20 V的电压(A4,A9,B4,B9)
  • CCx:用于协议通信的两个配置通道(A5,B5)
  • VCONN:提供电缆配置IC(在插座上,它是CC引脚之一)
  • 4 对 SuperSpeed differential pair 高速数据传输引脚。每对(+/-)差分端口构成一个单向(unidirectional)的数据传输通道(lane)。上(TX)、下(RX)行各有2对差分端口可用。
    • SuperSpeed pair 1 : A2(TX1+), A3(TX1-)
    • SuperSpeed pair 2 : B11(RX1+), B10(RX1-)
    • SuperSpeed pair 3 : B2(TX2+), B3(TX2-)
    • SuperSpeed pair 4 : A11(TX2+), A10(TX2-)
  • SBU1,2:备用模式的边带线
  • D+,D-:USB 2.0高速信号
  • GND:四个接地引脚

USB 标准版本

USB 接口

USB 3.2 Gen 1 (= USB 3.1 Gen 1 = USB 3.0 (但原 USB 3.0 标准并不包含 type-c 型接口定义, 所以 USB-C 型接口初版标准的传输规格直接是 usb 3.1 Gen 1)), USB 3.2 Gen2 (= USB 3.1 Gen 2) 和 USB 4 Gen3 的每个 lane 传输带宽分别是 5 / 10 / 20Gbps,因为上、下行各有 2 个lane,所以 x2 模式 (如 USB3.2 Gen2x2)下的最大的理论传输带宽分别可以达到(上、下行同时)全双工 10 / 20 / 40 Gbps (注意 x2 模式是 USB 3.2 标准新增的,并且仅支持 Type-C 类型的物理接口,不再支持 Type-A / Micro-USB 型接口) 。

各种 USB 接口(单向最大; 全双工)带宽总结:

  • USB 2.0 : 480Mbps;使用 4个引脚。
  • USB 3.2 Gen 1 (= USB 3.1 Gen 1 = USB 3.0) : 5Gbps。使用9个引脚。
  • USB 3.2 Gen 1x2: 10Gbps。使用9个引脚。
  • USB 3.2 Gen 2 (= USB 3.1 Gen 2) : 10Gbps。使用9个引脚。
  • USB 3.2 Gen 2x2: 20Gbps。使用(USB-C接口全部的)24个引脚。
  • USB 4 Gen 2x2 : 20Gbps (注意 USB4 Gen 2 与 USB 3.2 Gen 2 带宽相同,但电气层规格完全不同)
  • USB 4 Gen 3x2 (≈ Thunderbolt 3) : 40Gbps

注意

  • USB 3.2 与 USB 3.1 标准的唯一主要区别就是追加了一个 x2 模式,然后把原来名字里的 USB 3.1 Gen 1 改名为 USB 3.2 Gen 1 (也可以加上 x1 后缀变成 USB 3.2 Gen 1x1)。x2 模式仅支持 USB-C 物理接口,每个传输方向(TX或RX)同时使用2个传输通道(lanes)实现带宽翻倍。
  • USB 3.2 Gen 1x2 仅存在于 USB 3.2 标准中。几乎没有实际的 Gen 1x2 的商业产品发售。
  • 没有 x2 后缀的 (即 x1) 支持 Type-A, Micro-USB 和 USB-C 等所有 USB 物理接口形态。
  • 所有 x2 后缀的的仅支持 USB-C (Type-C) 型的物理接口。

台式机主板上预留的连接机箱的前置 USB 接口母座:

  • 9 pin USB-2.0 母座: 接出2个 USB 2.0 接口。(一般机箱引出的都是 Type-A 型接口)
  • 19 pin USB-3.0 母座: 接出2个 USB 3.2 Gen 1 (即最原始的 5Gbps 的 USB 3.0) 接口。(不同的机箱可以选择将其引出为 Type-A 或 USB-C 型的接口)
  • 20 pin USB-3.1 type-e 母座: 接出 1个 USB-C 型专用的 USB 3.2 Gen 2 (10Gbps)接口。(是否支持 x2 模式不清楚)

本质上,USB 3.0 以后的 USB 接口命名和改名是根据 Gen 代数区分的:

  • Gen 1 : 单通道(lane)传输速度 5Gbps
  • Gen 2 : 单通道(lane)传输速度 10Gbps
  • Gen 3 : 单通道(lane)传输速度 20Gbps

对于 USB3.0+ 而言,USB-A 型的物理接口每个传输方向(TX, RX)各只有1个传输通道(lane)。而 USB-C 型每个传输方向(TX, RX)各有2个传输通道(lane),共4个传输通道:TX1,TX2,RX1,RX2。但在 USB 3.2 标准之前,USB-C 口每个传输方向只能使用1个通道(之所以每个传输方向存在2个通道仅仅是为了支持正反盲插)。而 USB 3.2 标准定义的 x2 模式允许每个传输方向同时使用全部 2 个通道。USB 3.0+ 标准均不支持半双工模式,所以通信时每个传输方向都需要1个(或2个)传输通道。

USB-C 接口最大的问题是为了兼容 USB 2.0 (而且还要能盲插)保留了 2对 D+/D- 引脚。如果不用兼容 USB 2.0,USB-C 接口还能再多出2个高速数据传输通道。

USB-C 线缆

参考资料: USB数据线到底怎么选!一文带你全看懂,能省不少钱 (来源知乎,写的非常详细清晰)

双头的 USB-C 线缆按支持的数据传输规格区分:

  • 只支持 USB 2.0 : 480Mbps
  • USB 3.2 Gen 1 : 单通道(lane) 5 Gbps 传输速度
  • USB 3.2 Gen 2 : 单通道(lane) 10 Gbps 传输速度
  • USB4 Gen 3 : 单通道(lane) 20 Gbps 传输速度

注意 USB 3.2 定义的 x2 属于接口(母座端)的传输规格。任何符合规范的(引脚连接齐全的) 双头 USB-C 线都支持 x1 和 x2 模式。

按支持的 PD 供电能力:

  • 3A
  • 5A (线材需内置 emark 芯片)

同时按照数据传输和供电能力标准区分,目前(2021-11)市场上的双头 C 线共有以下几种:

  • USB 2.0 3A(常见)
  • USB 2.0 5A(常见)
  • USB 3.2 Gen 1 3A(已淘汰,很难买到)
  • USB 3.2 Gen 1 5A(已淘汰,很难买到)
  • USB 3.2 Gen 2 3A(常见)
  • USB 3.2 Gen 2 5A(常见)(主流选择)
  • USB4 Gen 3 3A(刚发布,没人做,贵得要死)
  • USB4 Gen 3 5A(刚发布,稀有,贵得要死)

目前推荐 USB 3.2 Gen 2 5A 的 C-C 线,价格适中,功能齐全。

雷电3/4线

雷电3/4使用 USB-C 物理接口,相应的雷电线与 Type-C 兼容。

雷电3 数据线除了3A/5A电流通过能力的差异之外,还有主被动之分。因为雷电的40G信号频率太高,超过一定距离,就会衰减到无法分辨的程度。因此雷电3主动线缆内部配备了放大器,用来保证信号经过长距离传输依然清晰可辨。但这种放大器不支持USB 3信号,所以主动雷电3线在USB主机上,最高只能支持USB 2.0(除非该设备同时支持了 USB4 的雷电3替代模式并连接到了一个雷电设备)。

而被动的雷电3线,又分为满速的Gen3线和半速的Gen2线,只有满速线才完全兼容USB4的40G满血模式。因此对USB设备来说,雷电3线缆一共有:主动、被动满速、被动半速/3A、5A,一共6种规格。

雷电4的情况要好一些。最新标准强制要求雷电4线缆和设备完全兼容USB4,而且都是40Gbps满速。因此不论主动被动,都能当作全功能USB线来用,只有3A/5A过电能力的区别而已。

总结起来,雷电 3/4 的线包括:

  • Thunderbolt 3 Active 3A(贵得要死)
  • Thunderbolt 3 Active 5A(贵得要死)
  • Thunderbolt 3 Passive 3A(贵得要死)
  • Thunderbolt 3 Passive 5A(贵得要死)
  • Thunderbolt 4 3A(贵得要死)
  • Thunderbolt 4 5A(贵得要死)

其他双头C线

上面列表不包含一些非常特殊or扭曲的产品。比如因为实在太长,索性换成了光波导的“雷电光纤线”,和销量应该极少的 USB 3.x Gen1/2超长主动线。(这种线基于和雷电3主动线同样的理由,不支持USB4)

还有一些偷工减料的不符合规范的双头C线。比如 USB 3.2 标准的 x2 双通道模式推出之前出现的,明明是双头typec,却只有一半线芯的东西。它也不分正反,也可以正常充电和传输高速数据。但是因为线芯数不够,所以不支持3.2 Gen2×2和USB4,也不能拿来投屏。

另外还有各种(主要是手机)厂商生产的私有协议快充线,那简直就数不过来了。

Alternative mode

USB 3.2 标准的 USB-C 加入了 alternative mode 支持。实际上最常用的就是 DisplayPort Alternative Mode (DP alt mode),理论上还存在 HDMI alternative mode 等,但实际上基本上没有商业产品。

Alternative mode 借助 Power Delivery 报文(CC引脚传输)来对 Type-C 接口进行具体的配置,从而唤醒启用 "可选模式"。如 DP alt mode 模式可以输出 DisplayPort 视频信号。

DP 协议有4组数据传输通道(Lane 0 - Lane 3),USB-C 引脚也有 4 组高速数据传输通道(TX1, TX2, RX1, RX2)。USB-C 的 DP alt mode 支持使用 USB-C 的 2组或4组 SuperSpeed 数据传输通道(lane) 用来传输 DP 视频信号(至少支持 DP 1.2)。如果使用 USB-C 的 2组(TX1 + RX1 或 TX2 + RX2)高速传输通道(对应 DP 的 lane 0 + lane 1),则仍然可以同时传输 USB 3.0 数据,因为 USB-C 还剩下 2 组 lanes 可以给 USB 数据传输通道使用,而大部分 USB 外设使用场景主要是单向数据传输的);但如果使用了 USB-C 的全部4组 lanes,那么数据传输就只能使用 USB 2.0 (480Mbps) 速度的 D+ 和 D- 端口了。

如果只使用 USB-C 的 2组 lanes 传输 DP (2-lanes mode), 则 DP1.2 (HBR2) / DP1.3-1.4 (HBR3) / DP2.0 (UHBR) 分别能提供最大 8.64 / 12.96 / 38.69 Gbps 的有效视频数据传输带宽(即等于同级别 DP 标准带宽减半)。而 4K@60Hz (8bit) 需要 12.54 Gbps 带宽,所以 DP 1.2 的 USB-C 的 DP alternative mode 必须使用全部 4 lanes 才能支持 4K@60Hz (这时USB数据传输通道就只能使用 usb 2.0 了。所以一些笔记本电脑 BIOS 设置里有切换 type-c 支持 4K@60Hz 视频输出还是 USB 3.0 数据传输速度的选项)。Intel 从 Ice Lake (10nm 工艺版本的 10代酷睿, i3/i5/i7-10XXGX) 的核显开始才支持 DP 1.4a 和 HDMI 2.0 (之前从4代到14nm的伪10代 Comet Lake支持的都是 DP 1.2 + HDMI 1.4)(参考资料, 有个别例外),所以之前 Intel 处理器的核显 USB-C DP 输出都有这个问题。

以上计算未考虑 HDR 和 DSC。

  • 如果开启 HDR,标准 4K@60Hz 需要 15.68 Gbps 带宽。DP 1.4 的 USB-C 2-lanes mode 带宽也无法满足需求(但可以开启 422 HDR)。
  • 如果使用 (DP 1.4 的)DSC (需要核显、显示器、扩展坞等都支持),那么会大幅降低带宽需求,即使 USB-C 2-lanes mode 也能跑 4K@60Hz 标准 HDR。

如果使用 USB-C 的全部4组 lanes 传输 DP,那么支持的最大视频带宽显卡(核显)支持的最大带宽(因为 DP 协议标准也是4个 lanes)。参考:显示器

备注:以上描述的 dp alt mode 是 USB 3.2 标准。雷电 3/4 接口也使用 type-c 物理接口并支持 40Gbps 带宽的视频输出(雷电3 是 2 * DP 1.2+,),其标准与 dp alt mode 不同,但根据 intel 的规范,所有雷电 3/4 的 type-c 物理接口均兼容 dp alt mode 输出模式。

USB-C 扩展坞

从单个全功能 Type-C 接口扩展出多个接口:

  • DisplayPort 显示输出
  • HDMI 显示输出
  • VGA
  • USB 3.0 / 2.0
  • 千兆有线网口
  • USB-C PD 充电(输入)口

这类扩展坞市场鱼龙混杂,不同厂商的产品外观、功能类似,但价格和质量千差万别。特别是绿联这个牌子的扩展坞纯属坑货,烧主板概率几乎100%,强烈建议回避。

选择扩展坞时强烈建议了解产品的内部电路设计。参考资料。所有 Type-C 扩展坞的电路核心是一个"PD控制器"芯片(比如低端扩展坞常用的Vl103),通过 CC 端口与 host 端通信协商 Type-C 接口的通信协议 / Alternative Mode。任何类型的 Type-C 接口扩展坞(从多用途的多合一扩展坞到单一用途的 Type-C 转 DisplayPort 线缆) 都内置了这种芯片。

雷电 (Thunderbolt) 3 / 4

雷电 3/4 使用 USB-C 物理接口。最大传输带宽(全双工) 40Gbps。不同雷电控制器(controller)提供的功能不一。

  • 雷电3:
    • 提供 1-2 个 DP 1.2 或 1.4 (视不同雷电控制器)。
    • 部分雷电3控制器兼容 USB 3.2 的 dp alt mode 和 / 或 usb pd (max 100W)。
  • 雷电4:支持 2 个 DP 1.4。兼容 USB 4(因此必定支持 usb pd 和 dp alt mode)。

备注:

  • intel 10 代 (10nm) / 11 代 CPU 均集成了 雷电 3 / 4 控制器。但取决于主板设计,并非所有10/11代 intel CPU 电脑的 type-c 接口均是雷电口。

雷电4接口>雷电3满速接口>雷电3半速接口>全功能Type-C>非全功能Type-C。

  • 雷电接口跟Type-C接口的最主要区别在于:
    • 雷电接口可以外接额外的显卡,而Type-C不能外接额外显卡。
    • 雷电3/4最大传输速度(全双工)40Gbps,而 USB-C 需要 usb 4.0 Gen3x2 才能达到这个速度。
  • 雷电4接口跟雷电3接口传输速度相同,都是 40Gbps,两者的差别在于:
    • 雷电3支持连接 2台4K显示器或 1 台5K显示器(在intel的规范定义里面,雷电3是可以支持同时连接2台显示器的,但是因为,要让一个接口同时外接2台显示器,需要内置额外的转换芯片,大多数厂商就选择了配备两个雷电3接口来外接2台,所以,很多的雷电3实际上只能够外接1台显示器)
    • 雷电4支持连接2台4K显示器或1台8K显示器
    • 雷电4可以阻止物理内存DMA攻击(direct memory access直接内存访问)
    • 睡眠唤醒:笔记本处于休眠状态时,如果连接了雷电4扩展坞,可以通过插在扩展坞上的键盘或鼠标唤醒笔记本。
  • 雷电3满速和半速的区别在于:
    • 雷电3要达到满速效果,需要4条PCI-e通道,但是部分轻薄本加入独显之后,占据了部分PCIe,导致原生PCI-e通道只剩下两条,于是只能采用半速的雷电3接口,只剩下20Gbps,所以,那些需要40Gbps带宽支持的功能就无法使用,包括无法外接5K显示器、外接PCIe4带宽的固态硬盘时无法以最高读写速度运行。比如,联想Y9000X(游戏本)拥有两个满速接口,而华为Matebook X Pro(轻薄本加入了独显,迫于无奈)只是半速接口。

USB 4

网上的资料乱七八糟。


Last update: 2021-12-14 05:01:00 UTC