Интерфейс 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 пред­ска­зу­е­мо, что ме­нед­ж­мент USB-шины по­лу­чил спе­ци­аль­ный мар­кер (e­Mar­ker), 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.).

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.

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.

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.

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.