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 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

  • 没有 x2 后缀的也可以标记为加上 x1 后缀,即 USB 3.2 Gen 1 = USB 3.2 Gen 1x1,USB 3.2 Gen 2 = USB 3.2 Gen 2x1。傻逼 USB 联盟把 USB 的命名搞成了一团浆糊。
  • 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)

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。

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 2组(USB-C 的 TX1+/- 和 RX2+/-),则仍然可以同时传输 USB 3.0 数据,因为还剩下 2 组 lanes 可以给 USB 数据传输通道使用,而大部分 USB 外设使用场景是单向高速数据传输的);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, 则 DP1.2 / DP1.3-1.4 / DP2.0 分别能提供最大 8.64 / 12.96 / 38.685 Gbps 的有效视频数据传输带宽。而 4K@60Hz (8bit) 需要 11.9Gbps 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。

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

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。


Last update: 2021-10-08 09:06:56 UTC