By GRL team on Jun 15, 2022

USB Type-C端口的模式介绍与操作流程

   

Granite River Labs, GRL
郑炜 Wayne Cheng

 

在USB Type-C端口中,除了支援USB讯号传输,也能应用在其他传输端口上,比如:Thunderbolt™、DisplayPort和USB4等,不同的传输端口在端口上脚位的配置也有些不同,可以参考下图:

图1: USB-C Receptacle Front View

图2: Thunderbolt™ / USB4的脚位配置

图3: DisplayPort的脚位配置

了解脚位配置的不同后,下方为大家介绍各种模式的进出方式与流程。

 

Enter Alternate Modes介绍

在PD沟通的定义中,这些相容的传输端口称为Alternate Modes,DFP会发出Enter Mode和Exit Mode信息给UFP做为Alternate Modes的开始以及结束。整个Enter Mode的流程可以分成几个阶段:

  1. DFP会先发出Discover Identity Request信息来确认UFP的身份和能力,在UFP回覆的Discover Identity ACK信息中有个Modal Operation Supported的栏位,用来表示UFP是否支援Alternate Modes。
  2. Discover阶段可以分成两部分,第一阶段DFP会先发出Discover SVID Request信息来确认UFP支援多少Alternate Modes。 SVID包含由协会制定的SID和协会所提供各家厂商的VID,常见的SVID有0x8087 (Thunderbolt mode)、0xFF01 (Displayport mode)。确认UFP回覆的SVID后,第二阶段DFP会发出Discover Modes信息,其中包含DFP支援的SVID,目的是为了确认双方都有支援这些Mode,UFP会以Discover Modes Ack信息来表示有支援。
  3. DFP发出Enter Mode来告知UFP要切换的Mode,确认到UFP的Enter Modes Ack信息后,双方切换成沟通好的Mode。直到要结束工作模式,DFP会以Exit Mode信息来告知UFP。

整体流程如下图所示:

图4: Enter Alternate Modes的流程

 

VDM信息

VDM (Vendor Defined Message)是由产品的设计者来定义,而值得注意的是,在VDM的沟通过程中,以下的情况会让双方切换回USB Mode:

任何一方发出Hard_Reset信息,PD重新沟通。

双方的连接被中断或是传输线被拔掉。

DFP发出Cable Reset信息导致传输线切换回原本的状态。

整个Enter Mode的流程是可以被中断的,过程中双方可能随时会发出PD信息 (ex : PD沟通、Power Role Swap、Data Role Swap etc.),这时候被中断的VDM 信息会被视为传输错误,双方会先完成PD的信息沟通,再重新发出被中断的VDM信息,如下图, Enter Mode的流程被DFP的Source_capabilities中断,这时双方会先进行一次PD沟通,接着DFP会重新发送Enter_Mode信息来完成流程。但需要注意的是,VDM信息不能中断PD的信息。

图5: Enter_Mode信息被中断的流程

 

USB4与Enter_USB信息

随着USB4端口的推出,USB协会在PD沟通协议中新增了Enter_USB信息让支援USB4的产品能够进入这个特殊的工作模式。会由Host端或是有PD能力的Hub的DFP发出Enter_USB Request给UFP,而UFP会以Accept / Reject信息来决定整个过程是否继续。在DFP发出Enter_USB Request之前,必须要先确认双方都有支援USB4,确认的程序与流程图如以下:

  1. 双方先确立初期的Power / Data role。
  2. Power Source端提供 VBus和VCONN。
  3. Power Source 和 Sink建立PD沟通。
  4. DFP藉由Discover Identity (SOP)来确认UFP是否支援USB4。
  5. DFP藉由Discover Identity (SOP’)来确认传输线是否支援USB4。

假如双方都是DRD (Dual-Role-Data) ,DFP和UFP都可以发出Data Role Swap来交换Data Role。

流程如下图所示:

图6: Enter_USB的流程

确认DFP、UFP和传输线都支援USB4之后,DFP会分别对UFP和传输线发出Enter_USB Request,顺序分别是:SOP’→ SOP” (若传输线有二个E-marker) →SOP,若使用的线材是被动式,SOP’和SOP”的Enter_USB Request是不需要的。要结束整个工作阶段时,DFP或UFP端会发出Data Reset信息来重置USB的沟通和结束Alternate Modes。另外,在USB4的工作模式中以下的行为是可以允许的:

  1. PD沟通可以重新建立
  2. 以Data Reset信息切换工作模式 (ex : 从USB4切换到USB 3.2或是Alternate Modes)
  3. 不需要重新配置脚位即可相容Alternate Modes的模式
 

结论

最后,我们来总结一下整个Enter mode的过程:

  1. DFP在Enter Mode前须经过一连串的信息来确认彼此是否支援Alternate Modes,若UFP回覆Enter mode NAK,双方会继续维持在USB Mode。
  2. Enter Mode的流程可以被PD信息中断,但VDM信息不能中断PD的信息沟通。
  3. DFP可以藉由Enter_USB信息与UFP进入USB4的工作模式

作者希望藉由这篇文章让读者们更加了解USB Type-C端口Enter Mode的流程,并进一步认识USB4;也可以透过本文章内容规避韧体设计上可能遇到的沟通协定错误。

 

参考文献

  • USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.4, April 2022
  • Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1 May 2021
 

作者简介

GRL 台湾测试工程师 郑炜 Wayne Cheng

毕业于国立清华大学生医工程与环境科学研究所。具Power Delivery 相关测试经验,熟悉 Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC (Qualcomm Quick Charge) 等测试规范。希望能够协助客户PD相关问题,以顺利取得认证。

 

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发布日期 2022/06/15 AN-220615-TW

Published by GRL team Jun 15, 2022

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