Интерфейс USB-C требует «умных» кабелей

03 Ноя 2016

USB-C требует «умных» кабелей

Концепция децентрализованного интеллекта лежит в основе совре­мен­ных вычислительных платформ. Встроенные микроконтроллеры на­шли применение в каждом периферийном устройстве, их функ­ци­о­нальность во­стребована в каждом узле компьютера. До­шла очередь и до кабелей. Вполне ожидаемо менеджмент USB-шины получил спе­ци­аль­ный маркер, позволяющий идентифи­ци­ро­вать кабельное со­еди­не­ние.

Постановка задачи

Энергоэффективность является одним из трендов развития систем питания электронных устройств, поэтому бук­валь­но каждый милливольт на учете. В свою очередь, компании-производители кабелей, также не прочь сэко­но­мить, что отражается на выборе металла для проводов, их толщине и качестве соединений.

Рассчитывая электрическую цепь, разработчик уже не может пренебречь активным и индуктивным сопротив­ле­ни­ем соединительных проводников, условно приняв эти параметры равными нулю. Интеллектуальные контроллеры, входящие в состав любого современного источника и потребителя электропитания, требуют получения полной и достоверной информации о соединительном кабеле для выбора оптимального режима взаимодействия.

Учитывая выше сказанное, методики, основанные на аналоговом измерении падения напряжения на участке цепи, постепенно отходят в прошлое по двум причинам:

  1. Недостаточная точность и нестабильность аналогового измерения.
  2. «Травматичность» измерения, это означает, что для оценки падения напряжения на некотором участке цепи, в частности соединительном кабеле, через этот участок требуется пропустить ток, на который он возможно не рассчитан. Как правило, превышение незначительное и выхода устройства из строя не про­исходит, но порочность такого подхода очевидна.

Итак, необходима цифровая идентификация соединительных цепей.

Микросхема VIA VL150

Полное рассмотрение многочисленных стандартов и дополнений, призванных навести порядок в кабельном хо­зяй­стве современных электронных устройств выходит за рамки одной публикации. Попробуем пойти к общему от частного и рассмотреть микросхему VL150 разработки VIA Labs. Устройство обозначается термином Electronic Mar­ker for USB Type-C passive cable. Последние два слова акцентируют отсутствие усилителей сигналов, функцио­наль­ность сводится исключительно к маркированию (декларированию параметров) соединительных цепей. Микро­схе­ма может устанавливаться в кабеле, например, внутри разъема, где есть место для размещения мини­атюр­ной пла­ты.

В устройствах, снабженных неразъемными (captive) кабелями, возможна установка VL150 на основной плате. При­ме­ча­тель­но, что в этом случае, информация, записанная в ROM микросхемы, может идентифицировать не только кабель, но и устройство в целом.

В типовой схеме включения, питание микросхемы осуществляется от линии Vconn. Для передачи напряжения пи­та­ния необходимо переопределение одной из двух линий CC (Configuration Channel), присутствующих в кабеле USB Type-C. Обмен информацией с управляющими контроллерами, находящимися в устройствах, передающих и потребляющих энергию, осуществляется по конфигурационной линии CC. Нелишне напомнить, что в интерфейсе USB Type-C роли источника и потребителя энергии могут динамически изменяться. Поэтому микросхема снаб­же­на диодной цепью, позволяющей принимать напряжение от одной из двух линий питания Vconn (Рис 1.).

Блок-схема контроллера Electronic Marker for USB Type-C passive cable VIA VL150
Рис 1. Блок-схема контроллера Electronic Marker for USB Type-C passive cable VIA VL150

Устройство совместимо с требованиями Power Delivery Specification v 2.0. Программирование его внутреннего кон­т­роллера может быть выполнено в работающей системе по линиям CC с использованием протокола Structured Ven­dor Defined Messages. Также поддерживается программирование и отладка посредством интерфейса System Mana­ge­ment Bus.

Схема расположения выводов контроллера Electronic Marker for USB Type-C passive cable VIA VL150
Рис 2. Схема расположения выводов контроллера Electronic Marker for USB Type-C passive cable VIA VL150

Минималистский набор внешних выводов позволяет сделать корпус достаточно компактным, что актуально для размещения в разъеме кабеля. Интеграция источника опорного напряжения (Reference Bias), схем питания (Linear Regulator) и тактирования (OSC, CLK), также способствует миниатюризации решений на основе VL150.

USB Type-C как фактор многообразия

С появлением нового коннектора USB Type-C множество вариантов применения универсальной последо­ва­тель­ной шины значительно увеличилось. Режимы альтернативной функциональности, переопределяют назначение дифференциальных пар SuperSpeed (TX+, TX-, RX+, RX-) согласно сценариям, определяемым разработчиками кон­кретных устройств вне рамок, установленных первичной спецификацией. Поэтому существенная часть ин­фор­ма­ции, передаваемой по конфигурационному каналу разъема USB Type-C (Configuration Channel), классифицируется как Vendor Defined Messages. Сам термин говорит о том, что содержимое блоков данных, описывающих устройства и кабели, не установлено стандартом и определяется производителем устройства.

В таблице перечислены сигнальные цепи полнофункционального кабеля: здесь два комплекта дифференциальных пар SuperSpeed(Plus), что соответствует функциональности двух портов USB3
Рис 3. В таблице перечислены сигнальные цепи полнофункционального кабеля: здесь два комплекта дифференциальных пар SuperSpeed(Plus), что соответствует функциональности двух портов USB3

Полнофункциональный кабель (Рис 3), содержит набор сигналов, примерно соответствующий двум разъемам USB Type-A. Legacy-кабель, соответствует одному такому разъему.

В таблице перечислены сигнальные цепи Legacy-кабеля с одним комплектом дифференциальных пар SuperSpeed(Plus), что соответствует одному USB-порту
Рис 4. В таблице перечислены сигнальные цепи Legacy-кабеля с одним комплектом дифференциальных пар SuperSpeed(Plus), что соответствует одному USB-порту

В результате, на рынке будут два типа кабелей для подключения к разъему USB Type-C: достаточно дорогой пол­но­функ­циональный и бюджетный, у которого способность к реверсному подключению сохраняется (для этого одни и те же линии подключаются зеркально), но из двух портов USB 3.1 будет доступен один. А о совмещении его с альтернативной функциональностью не может быть и речи! Отметим, что цепи шины USB 2.0 даже в двойном кабеле из примера на Рис. 3 присутствуют только в одном экземпляре.

Вместо послесловия

Свойства чипованного USB-кабеля определяются информацией во встроенном контроллере. В его задачи не вхо­дит усиливать сигналы или подавлять помехи — реальная амплитудно-частотная характеристика кабеля и ак­тив­ное сопротивление цепей питания находится всецело во власти производителя. Создает ли это предпосылки для изготовления разнообразных подделок? Думается, что маркетинговые злоупотребления не заставят себя ждать: если кабель снабжен «прошивкой» то его можно «перешить», несмотря на некоторую анекдотичность такого сценария лет десять тому назад. Хотя не стоит спешить с выводами, ведь некачественные кабели были и раньше, а цифровая идентификация с детерминированным набором параметров в некотором роде формализует от­вет­ствен­ность поставщика. Кроме того, согласно документации, VL150 поддерживает опциональную защиту содержимого внутреннего ROM от перезаписи.

С другой стороны, интеллектуальный кабель, снабженный программируемыми схемами идентификации, по­зво­ля­ет управляющим контроллерам, находящемся в питающем и питаемом устройствах, согласовать оптимальный ре­жим передачи энергии. Результатом правильного применения такого интеллекта должны стать сэкономленные ват­ты, увеличение времени работы батарей, минимизация нагрева и увеличение срока службы устройства.

Теги: