USB Type-C：即插即用連接的多面性

作者：Majeed Ahmad，特約編輯

不起眼的 USB 從其作為計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的起源已經(jīng)走過了漫長的道路，它的演變是一次非凡的技術(shù)之旅。但 USB 的空前增長也需要不同的帶寬、連接器類型和功率水平。

現(xiàn)在，USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)將已經(jīng)很復(fù)雜的接口電子設(shè)備提升到了一個(gè)全新的水平。本文著眼于 USB Type-C 增長的有前景的新領(lǐng)域，并展示其緊湊的外形現(xiàn)在如何擴(kuò)展到新技術(shù)前沿。

讓我們從電力傳輸開始，它成為大多數(shù)頭條新聞，因?yàn)樗梢詫㈦娏ο奶岣叩?100 W，這樣它甚至可以為筆記本電腦充電。

USB 供電采用 USB 供電 (USB-PD) 功能是交流適配器和電源、電源集線器、擴(kuò)展塢、智能插頭和顯示器的主要趨勢。它通過專用配置通道 (CC) 獨(dú)立執(zhí)行，以確保安全高效的電力輸送。

此外，新的控制器芯片允許 USB 端口通過高度防篡改的安全技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證。這些 USB 控制器還具有內(nèi)置的過壓保護(hù)功能，無需外部穩(wěn)壓器或 CPU 參與即可執(zhí)行此功能。

USB-PD 3.0 規(guī)范為筆記本電腦和其他便攜式設(shè)備提供端到端的電力傳輸和充電解決方案。除了供電和智能充電之外，USB Type-C 解決方案還將這種即插即用的連接機(jī)制應(yīng)用于顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)等各種外圍設(shè)備。

三星的 DeX Station 就是一個(gè)重要的例子。它允許用戶通過 USB Type-C 端口對接他們的 Galaxy S8 和 S8+ 智能手機(jī)，并在桌面環(huán)境中使用應(yīng)用程序、查看文檔和查看通知（圖 1）。

圖 1：賽普拉斯半導(dǎo)體的 USB 芯片為三星 DeX Station 擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)提供動(dòng)力，創(chuàng)造智能手機(jī)即 PC 體驗(yàn)。

數(shù)字音頻配件USB 連接現(xiàn)在正在擴(kuò)展到數(shù)字音頻應(yīng)用，同時(shí)為無數(shù)多媒體設(shè)備提供服務(wù)，例如耳機(jī)、耳機(jī)、揚(yáng)聲器、MP3 配件、導(dǎo)航系統(tǒng)和銷售點(diǎn) (POS) 終端。

數(shù)字音頻也很重要，因?yàn)樾碌闹悄苁謾C(jī)設(shè)計(jì)正在用一個(gè)支持充電和 USB 連接的 USB 連接器取代模擬耳機(jī)插孔。然而，將模擬插孔連接到 USB-C 到微型 USB 適配器的低成本加密狗允許消費(fèi)者繼續(xù)使用他們現(xiàn)有的耳機(jī)。

Silicon Labs 最近推出了一種音頻橋接芯片，用于在 USB 和集成 IC 間聲音 (I 2 S) 接口之間傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)（圖 2）。I 2 S 是用于連接數(shù)字音頻設(shè)備的串行總線接口。

圖 2：Silicon Lab 的 CP2615 音頻橋接器無需安裝驅(qū)動(dòng)程序，可與任何支持 USB Audio Class 1.0 的 USB 主機(jī)配合使用。

除了 I 2 S 音頻接口外，單芯片 CP2615 音頻橋還包括一個(gè) USB 2.0 控制器、USB 收發(fā)器、片上振蕩器、I 2 C 控制接口和用于存儲設(shè)備配置的嵌入式閃存。

Silicon Labs 聲稱它是一種插入式連接解決方案，不需要 USB 音頻知識或協(xié)議專業(yè)知識。因此，它使設(shè)計(jì)人員擺脫了固件開發(fā)的復(fù)雜性。

這家總部位于德克薩斯州奧斯汀的芯片制造商將這種單芯片解決方案用于需要 48 kHz 采樣率的低端和中端市場耳機(jī)。

處理視頻流量高清內(nèi)容和 4K 視頻是 USB Type-C 連接器設(shè)計(jì)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。以聲稱可以處理深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DNN) 應(yīng)用程序的英特爾 USB 3 加密狗為例。在這里，英特爾將其最近從 Movidius 收購的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)投入使用。

Movidius 神經(jīng)計(jì)算棒需要通過 USB 接口加載數(shù)據(jù)。該棒可用于任何 USB 3.0 平臺，包括 Raspberry PI 和通常帶有附加攝像頭的個(gè)人計(jì)算機(jī)。

圖 3：英特爾將其 USB 3 加密狗稱為獨(dú)立的人工智能加速器。

加密狗通過 USB 接口加載數(shù)據(jù)，以幫助諸如飛行控制和無人機(jī)等設(shè)備中的對象識別和 3D 映射等應(yīng)用。例如，無人機(jī)攝像頭可以捕捉場景并跟蹤對象，同時(shí)通過 USB 接口傳輸視頻數(shù)據(jù)。

然而，USB Type-C 連接器要將電源、音頻和視頻流量傳輸?shù)絾蝹€(gè)端口這一事實(shí)也使其成為一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。為此，像 Synopsys 這樣的 EDA 公司正在引入經(jīng)過驗(yàn)證的 IP 塊、驗(yàn)證套件和測試用例。

USB 設(shè)計(jì)工具芯片制造商正在實(shí)施必要的高性能 I/O 構(gòu)建塊，以確保單個(gè) USB/DisplayPort 接口可以連接到 USB Type-C 設(shè)備。其中包括最新 USB 規(guī)范的控制器、PHY、驗(yàn)證 IP 和測試套件。

以 USB 3.2 規(guī)范為例，該規(guī)范將新主機(jī)和設(shè)備添加到 USB Type-C 連接以創(chuàng)建多通道解決方案。它最多允許兩個(gè) 5 Gbps 通道或兩個(gè) 10 Gbps 通道，從而使 USB Type-C 電纜的數(shù)據(jù)速率翻倍。

Synopsys 已為 USB 3.2 主機(jī)和設(shè)備提供驗(yàn)證 IP；但是，它繼續(xù)支持現(xiàn)有的 SuperSpeed USB 物理層數(shù)據(jù)速率和編碼技術(shù)。

驗(yàn)證 IP 包括廣泛的協(xié)議檢查以及與 Synopsys Verdi 協(xié)議感知調(diào)試的集成。此外，EDA 公司正在通過提供對 USB 3.2 標(biāo)準(zhǔn)的早期支持的 UVM 源代碼測試套件來補(bǔ)充其用于 USB 3.2 設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 IP。

結(jié)論我們現(xiàn)在看到的是 USB 芯片，它們繼續(xù)在高度集成的片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)中加入更多功能，同時(shí)旨在通過補(bǔ)充工具降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。而且現(xiàn)在有更多的設(shè)計(jì)工具可以幫助開發(fā)人員快速配置 USB 參數(shù)。

例如，本文前面提到的音頻橋芯片帶有基于 GUI 的 Xpress Configurator 工具。它允許開發(fā)人員通過三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻：連接橋接芯片、配置 USB 和音頻參數(shù)以及對設(shè)備進(jìn)行編程。

審核編輯 黃昊宇