USB Type-C разделяет обязанности

20 Ноя 2016

USB Type-C разделяет обязанности

Контроллер универсальной последовательной шины традиционно ре­али­зу­ет­ся в составе системной логики компьютерной платформы. При этом, на каж­дом этапе развития USB неизбежная инерционность про­из­во­дителей чип­сетов дает возможность проявить себя поставщикам дис­кретных ре­ше­ний. Очередное доказательство — набор компонентов от Lattice Semi­con­duc­tor для интерфейса USB Type-C.

 

Постановка задачи

Невольно вспоминая некогда популярную фразу про коммунизм, советскую власть и электрификацию всей стра­ны, акцентируем внимание на том, что USB Type-C, как множество технологий, является своеобразной суммой двух подмножеств: классического и расширенного.

Расположение сигнальных цепей разъема USB Type-C
Рис 1. Расположение сигнальных цепей разъема USB Type-C

Классическая функциональность определяется спецификацией универсальной последовательной шины и ре­али­зу­ет­ся контроллерами xHCI (eXtensible Host Controller Interface) и xDCI (eXtensible Device Controller Interface) для ра­бо­ты устройства в роли хоста и периферийного девайса соответственно. В составе набора сигналов Type-C (Рис 1), присутствуют цепи примерно соответствующие двум разъемам Type-A. Это двунаправленные линии данных USB 2.0 High Speed (D+, D-), однонаправленные встречно включенные линии данных USB3.1 Super Speed (TX+, TX-, RX+, RX-), цепи питания (Vbus) и общий провод (GND).

В этом контексте под расширенной будем понимать такую функциональность, которая выходит за рамки USB-спе­ци­фи­ка­ции. Для ее поддержки требуются дискретные компоненты, дополняющие возможности системной ло­ги­ки. В первую очередь, сюда относится интерфейс Configuration Channel, представленный сигналами CC1/CC2, обес­печивающий обмен специальными сообщениями между подключенными устройствами, независимо от пе­ре­да­чи данных по USB, а также идентификацию маркированных кабелей.

Поддержка Power Delivery Specification, в частности, управление напряжением питания (Vbus) в рамках от 5 до 20 вольт и током нагрузки до 5A, в рамках дискретно-аналоговой модели, становится возможной благодаря дву­направленному обмену сообщениями между источником и потребителем по линиям Configuration Channel. Обеспечение Alternate Mode или альтернативных режимов, коммутация Super Speed цепей порта с целью пе­ре­дачи по ним трафика, отличного от USB (например, Display Port или PCI Express), также находится под конт­ро­лем конфигурационного интерфейса.

Своеобразным «подарком» разработчикам периферии от законодателей стандарта стали линии Sideband Usage (контакты SBU1, SBU2 на Рис 1), назначение которых вправе определить производитель конкретного устройства.

Дискретные решения на марше

Зарядные устройства являются простейшим примером. Центральный процессор и системная логика в клас­си­че­ском понимании здесь отсутствуют. Схема состоит из следующих компонентов.

Пример реализации зарядного устройства
Рис 2. Пример реализации зарядного устройства

Микроконтроллер Cable Detect / Power Delivery manager, управляет идентификацией подключений, запросов по­тре­бителей зарядной мощности и возможностей кабелей. Его операции базируются на передаче и приеме инфор­ма­ции по конфигурационному каналу с использованием схемы сопряжения с линией CD/PD PHY. Достигнутые до­го­во­ренности по передаче зарядной мощности реализует программируемый источник напряжения VBUS Power Cont­rol.

Пример реализации USB Type-C порта в составе смартфона или планшета
Рис 3. Пример реализации USB Type-C порта в составе смартфона или планшета

По сравнению с ранее рассмотренной схемой, здесь добавляется новый участник SS Switch (Super Speed Switch), коммутирующий сигналы USB3.1 с целью передачи по ним видео трафика в рамках реализации альтернативной функциональности.

Интеллектуальное управление делегируется процессору мобильного устройства (здесь AP — это Application Pro­cessor, не путать со значением того же термина в контексте симметричной мультипроцессорности).

Передача мощности от источника к потребителю переводится под контроль ОС, работающей на хост-системе. Здесь кроется принципиальное отличие данного примера от зарядного устройства или Power-банка, а также об­основание недавних инициатив Google, связанных со стандартизацией.

Пример реализации USB Type-C порта в составе ноутбука
Рис 4. Пример реализации USB Type-C порта в составе ноутбука

В этом примере ноутбук, или «продвинутый» планшет, как полнофункциональная вычислительная платформа, со­дер­жит центральный процессор и системную логику в виде раздельных компонентов. Embedded Controller (EC) освобождает центральный процессор (CPU) от низкоуровневых операций управления цепями питания, сохраняя при этом возможность для мониторинга и вмешательства со стороны ОС и драйверов. В частности, Billboard device обеспечивает унификацию процедур обработки аппаратных ошибок, формируя канал передачи статусной ин­фор­ма­ции между Configuration Channel и USB 2.0, делая эту информацию доступной для системного программного обеспечения.

Выводы

Итак, поддержка нового интерфейса универсальной последовательной шины, реализованного на базе разъема USB Type-C, немыслима без специализированных микросхем, расширяющих возможности системной логики. Инер­ци­онность разработчиков чипсетов понятна, ведь чем сложнее устройство, тем больше времени потребует его модернизация.

Есть и другая причина, обусловившая разделение обязанностей, сложившееся в элементной базе. Отделив си­ло­вые и интерфейсные цепи от кристаллов южного моста (Platform Controller Hub, PCH), разработчик повышает на­дежность устройства.

Этот тезис главным образом касается коммутации высоких напряжений и больших токов, определенных Power De­livery Specification. Коммутация мощности до 100 ватт (20 вольт, 5 ампер) внутри кристалла PCH либо однокрис­таль­ной System-on-Chip (SoC) системы, шаг, мягко говоря, неразумный, а потому у производителей «силовой об­вяз­ки» остается возможность заработать на новом разъеме.

С другой стороны, мультиплексоры, коммутирующие маломощные информационные сигналы USB интерфейса, име­ют больше шансов со временем стать частью системной логики или микросхем SoC, ведь объекты коммутации (контроллер USB и видеоадаптер) уже входят в их состав.

Теги: