USB-C Port的Data Role、Power Role工作原理介紹

一、Data Role協(xié)議通訊過程和工作原理

Data Role描述了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。?a href="http://ttokpm.com/tags/type-c/" target="_blank">Type-C接口中，下行端口（DFP）可以作為Host或HUB，負(fù)責(zé)提供VBUS和VCONN，并接收數(shù)據(jù)。與之相對(duì)的上行端口（UFP）則作為Device，從VBUS中獲取電力，并發(fā)送數(shù)據(jù)。而雙角色端口（DRP）則能夠在Host和Device之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。

通訊信號(hào)內(nèi)容：

連接建立階段：

設(shè)備A發(fā)送默認(rèn)的USB信號(hào)（如USB JID信號(hào)）給設(shè)備B。

設(shè)備B收到信號(hào)后，回復(fù)USB Detection信號(hào)給設(shè)備A，確認(rèn)連接建立。

數(shù)據(jù)傳輸階段：

設(shè)備A發(fā)送SOF（Start of Frame）信號(hào)給設(shè)備B，表示開始傳輸數(shù)據(jù)。

設(shè)備B收到SOF信號(hào)后，回復(fù)ACK（Acknowledgment）信號(hào)給設(shè)備A，表示數(shù)據(jù)已成功接收。

數(shù)據(jù)傳輸過程中，設(shè)備A和設(shè)備B通過交換一系列數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)包可能包括Data Token、STP（Split Transaction Preamble）、STP Token、Data Preamble、Data、Handshake等信號(hào)內(nèi)容。

角色切換階段：

設(shè)備A發(fā)送PR_Swap請(qǐng)求信號(hào)給設(shè)備B，請(qǐng)求切換為Sink角色。請(qǐng)求信號(hào)可能包含電壓級(jí)別、電流限制等信息。

設(shè)備B收到請(qǐng)求信號(hào)后，通過CC引腳發(fā)送PR_Swap_GIVE響應(yīng)信號(hào)給設(shè)備A，表示同意切換。響應(yīng)信號(hào)可能包含確認(rèn)信息或狀態(tài)信息。

在角色切換完成后，設(shè)備A作為Sink模式會(huì)打開VBUS和VCONN，提供電力給設(shè)備B。同時(shí)設(shè)備B也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的配置調(diào)整以接收電力。

斷開階段：

當(dāng)設(shè)備A與設(shè)備B斷開連接時(shí)，雙方設(shè)備會(huì)通過CC引腳發(fā)送DISCONNECT請(qǐng)求信號(hào)。請(qǐng)求信號(hào)可能包括斷開的原因、斷開前的狀態(tài)等信息。

在確認(rèn)斷開后，設(shè)備A和設(shè)備B會(huì)關(guān)閉VBUS和VCONN，結(jié)束連接。同時(shí)雙方設(shè)備也會(huì)進(jìn)行一些清理和復(fù)位操作。

二、Power Role協(xié)議通訊過程和工作原理

Power Role定義了供電的角色。根據(jù)USB PORT的供電情況來劃分，Source是供電方，Sink則是受電方。Source Only表示只能作為供電方，Sink Only則只能作為受電方。默認(rèn)情況下，設(shè)備為Source模式，但可以通過PD SWAP協(xié)議切換為Sink模式。

通訊信號(hào)內(nèi)容：

源模式階段：

設(shè)備A作為Host模式默認(rèn)打開VBUS和VCONN，向設(shè)備B提供電力。

設(shè)備B作為Device模式接收電力并發(fā)送回復(fù)信號(hào)給設(shè)備A，該回復(fù)信號(hào)可能包括電力的狀態(tài)、需求或反饋信息等。

角色切換階段：

當(dāng)設(shè)備B需要從設(shè)備A接收電力時(shí)，雙方設(shè)備會(huì)進(jìn)行角色切換。

設(shè)備A作為Source模式發(fā)送PR_Swap請(qǐng)求信號(hào)給設(shè)備B，請(qǐng)求切換為Sink角色。請(qǐng)求信號(hào)可能包含電壓級(jí)別、電流限制等信息。

設(shè)備B作為Sink模式響應(yīng)PR_Swap_GIVE信號(hào)給設(shè)備A，表示同意切換。響應(yīng)信號(hào)可能包含確認(rèn)信息或狀態(tài)信息。

在角色切換完成后，設(shè)備A作為Sink模式打開VBUS和VCONN，提供電力給設(shè)備B。同時(shí)設(shè)備B也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的配置調(diào)整以接收電力。

斷開階段：

當(dāng)設(shè)備A與設(shè)備B斷開連接時(shí)，雙方設(shè)備會(huì)通過CC引腳發(fā)送DISCONNECT請(qǐng)求信號(hào)。請(qǐng)求信號(hào)可能包括斷開的原因、斷開前的狀態(tài)等信息。

在確認(rèn)斷開后，設(shè)備A和設(shè)備B會(huì)關(guān)閉VBUS和VCONN，結(jié)束供電。同時(shí)雙方設(shè)備也會(huì)進(jìn)行一些清理和復(fù)位操作。

如下圖顯示常用設(shè)備的Data Role和Power Role

Power Role詳細(xì)可以分為：

a）Source Only

b）默認(rèn)Source，但是偶爾能夠通過PD SWAP切換為SINK模式

c）Sink Only

d）默認(rèn)SINK，但是偶爾能夠通過PD SWAP切換為Source模式

e）Source/SINK輪換

f）Sourcing Device（能供電的Device，顯示器）

g）Sinking Host（吃電的Host，筆記本電腦）

Type-C的Data/Power Role識(shí)別協(xié)商/Alt Mode

USB Type-C的插座中有兩個(gè)CC腳，以下的角色檢測，都是通過CC腳進(jìn)行的，但是對(duì)于插頭、或者線纜正常只有一個(gè)CC引腳，兩個(gè)端口連接在一起之后，只存在一個(gè)CC引腳連接，通過檢測哪一個(gè)CC有連接，就可以判斷連接的方向。如果USB線纜中有需供電的器件，其中一個(gè)CC引腳將作為VCONN供電。

CC引腳有如下作用：

a）檢測USB Type-C端口的插入，如Source接入到Sink

b）用于判斷插入方向，翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)鏈路

c）在兩個(gè)連接的Port之間，建立對(duì)應(yīng)的Data Role

d）配置VBUS，通過下拉電阻判斷規(guī)格，在PD協(xié)商中使用，為半雙工模式

e）配置VCONN

f）檢測還有配置其他可選的配置模式，如耳機(jī)或者其他模式

連接方向、Data Role、Power Role角色檢測

SourceSink Connection

如圖所示，Source端CC引腳為上拉，Sink端CC引腳為下拉。握手過程為接入后檢測到有效連接（即一端為Host一端為Device），隨后檢測線材供電能力，再進(jìn)行USB枚舉。

如下圖指示了Source端，在連接SINK之前，CC1和CC2的框圖模型：

a）Source端使用一個(gè)MOSFET去控制電源，初始狀態(tài)下，F(xiàn)ET為關(guān)閉狀態(tài)

b）Source端CC1/CC2均上拉至高電平，同時(shí)檢測是否有Sink插入，當(dāng)檢測到有Rd下拉電阻時(shí)，說明Sink被檢測到。Rp的阻值表明Host能夠提供的功率水平。

c）Source端根據(jù)Cable中哪一個(gè)CC引腳為Rd下拉，去翻轉(zhuǎn)USB的數(shù)據(jù)鏈路，同時(shí)決定另外一個(gè)CC引腳為VCONN

d）在此之后，Source打開VBUS，同時(shí)VCONN供電

e）Source可以動(dòng)態(tài)調(diào)整Rp的值，去表示給Sink的電流發(fā)送變化，告知SINK最大可以使用的電流

f）Source會(huì)持續(xù)檢測Rd的存在，一旦連接斷開，電源將會(huì)被關(guān)閉

g）如果Source支持高級(jí)功能（PD或者Alternate Mode），將通過CC引腳進(jìn)行通信

如下圖指示了SINK端CC1和CC2框架：

a）SINK的兩個(gè)CC引腳均通道Rd下拉到GND

b）SINK通過檢測VBUS，來判斷Source的連接與否

c）SINK通過CC引腳上拉的特性，來檢測目前的USB通信鏈路（翻轉(zhuǎn)）

d）SINK可選地去檢測Rp的值，去判斷Source可提供的電流。同時(shí)管理自身的功耗，保證不超過Source提供的最大范圍

e）同樣的，如果支持高級(jí)功能，通過CC引腳進(jìn)行通信。

如下圖指示DRP的CC引腳在鏈接之前的架構(gòu)：

a）當(dāng)作為Source存在的時(shí)候，DRP使用MOSFET控制VBUS供電與否

b）DRP使用Switch去切換自身身份作為Source，或者是SINK

c）DRP存在一套機(jī)制，分三種情況，去決定自身是SINK或者是Source，去建立兩者間彼此的角色。

情況1：不使用PD SWAP，隨機(jī)變成Source/SINK中的任意一個(gè)，CC腳波形為方波

情況2：自身傾向于作為Source，執(zhí)行Try.SRC，問對(duì)面能不能做SINK呀，我做Source

情況3：與情況2相反，自身傾向作為SINK，執(zhí)行Try.SNK，你做Source，我做小弟

當(dāng)然還存在Source&Source，SINK&SINK這種搞基模式，唯一的結(jié)果就是一直停留在Unattached.SNK/Unattached.SRC，無法終成眷屬。

Type-C的其他模式

Display Port Alternate Mode

系統(tǒng)會(huì)通過USB PD協(xié)議中VDMs的信息通信（CC引腳通信），去告知支持Display Port模式。在這個(gè)模式當(dāng)中，USB SuperSpeed信號(hào)允許部分傳輸U(kuò)SB，部分傳輸DP信號(hào)。

Audio Adapter Accessory Mode

如下圖，為3.5mm音頻輸入口轉(zhuǎn)Type-C端口，USB2.0鏈路被用來傳輸模擬音頻信號(hào)，若帶MIC，MIC信號(hào)則連接在SBU引腳上，在這個(gè)模式當(dāng)中，電源可以提供到500mA電流。

Host端如何識(shí)別到音頻模式呢？把CC引腳和VCON連接，并且下拉電阻小于Ra/2(則小于400ohm)，或者分別對(duì)地，下拉電阻小于Ra(小于800ohm)，則Host會(huì)識(shí)別為音頻模式。

Debug Accessory Mode（DAM）

在DAM下，連接軟體和硬體提供可視化調(diào)試和控制的系統(tǒng)，使用較少。






審核編輯：劉清