使用FPGA實(shí)現(xiàn)靈活的USB Type-C接口控制

　　1 USB Type-C接口介紹

　　二十年前，第一代通用串行總線(Universal Serial Bus, USB 1.0)的出現(xiàn)，為各自為政的電子行業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)注入了互通性。而最新發(fā)布的USB Type-C接口規(guī)范將USB技術(shù)提升到了一個(gè)新的高度，能夠滿足21世紀(jì)電子行業(yè)的需求，同時(shí)也將再一次改變計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品以及移動(dòng)設(shè)備之間的互連方式。輕薄、堅(jiān)固、無(wú)需區(qū)分插頭方向的USB Type-C連接器拓展了由USB 3.1超速(SuperSpeed+)規(guī)范定義的各項(xiàng)功能，采用雙通道實(shí)現(xiàn)高達(dá)20 Gbps的總帶寬，最多能夠?qū)⒏咔咫娪昂?D圖像等大型文件的傳輸時(shí)間減少一半。得益于USB Type-C接口的大功率特性，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100W的快速充電以及為筆記本電腦、監(jiān)視器、電視機(jī)等更大的設(shè)備供電。USB Type-C接口還具備多項(xiàng)獨(dú)一無(wú)二的特性，包括新的視頻模式——使用USB連接器和電纜傳輸DP、VGA和HDMI等格式的視頻。

　　USB Type-C接口將為消費(fèi)者帶來(lái)諸多激動(dòng)人心的新特性。不過(guò)，要發(fā)揮出USB Type-C接口的潛能，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)設(shè)計(jì)需求實(shí)現(xiàn)USB Type-C的供電(PD)協(xié)議、電纜方向偵測(cè)、高速信號(hào)切換以及供應(yīng)商自定義消息(Vendor Defined Messaging, VDM)功能。本文將討論如何將低成本的FPGA與現(xiàn)有的USB設(shè)備相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能夠充分發(fā)揮USB接口高速、大功率和通用特性的產(chǎn)品，以及如何快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　2 USB Type-C接口簡(jiǎn)介

　　2.1 新一代可靠耐用的連接器

　　USB Type-C接口的命名源于USB Type-C連接器，USB開(kāi)發(fā)者論壇(USB Implementers Forum, USB-IF)設(shè)計(jì)了這個(gè)堅(jiān)固、易于使用的接口來(lái)替代當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備中廣泛使用、易于損壞的Micro-B連接器(圖1)。

　　這款24-pin連接器的機(jī)械設(shè)計(jì)反應(yīng)了設(shè)計(jì)人員從Micro-B連接器上獲得的歷史教訓(xùn)，它無(wú)需確定插入的正反方向并可實(shí)現(xiàn)10000次的插拔。用戶再也不需要擔(dān)心“哪頭上，哪頭下”，因?yàn)閁SB Type-C連接器沒(méi)有正反方向之分，所以從任一方向插拔皆可。此外，不像其他大多數(shù)USB電纜，USB Type-C電纜兩端使用相同的插頭。

　　2.2 數(shù)據(jù)通道增加

　　USB Type-C電纜包含兩組支持10Gbps USB 3.1超速標(biāo)準(zhǔn)的Tx/Rx信號(hào)通道，提供了20Gbps總帶寬，理論上可實(shí)現(xiàn)2倍的數(shù)據(jù)傳輸和下載時(shí)間改善。并保留單獨(dú)一組引腳給使用USB 2.0連接的傳統(tǒng)應(yīng)用。

　　2.3 供電性能增強(qiáng)

　　該電纜還包含配置通道(Configuration Channel, CC)，可用于發(fā)現(xiàn)、配置和管理USB Type-C的先進(jìn)供電(Power Delivery)功能，為外設(shè)或移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)高達(dá)100W的供電能力。

　　2.4 更靈活的USB架構(gòu)

　　除了最新的USB標(biāo)準(zhǔn)中定義的“上行數(shù)據(jù)流端口(Upstream-Facing Port, UFP)”和“下行數(shù)據(jù)流端口(Downstream-Facing Port, DFP)”，USB Type-C規(guī)范還定義了“雙重用途端口(Dual Role Port, DRP)”。這種新型的USB數(shù)據(jù)端口能夠作為DFP或UFP兩者中任一個(gè)進(jìn)行工作。DRP可被永久地配置為DFP或UFP，也能在這兩種端口間動(dòng)態(tài)切換。請(qǐng)注意：不要與USB供電(Power Delivery)規(guī)范中的術(shù)語(yǔ)混淆，后者中的“雙重用途端口(dual-role port)”是指供電功能。

　　2.5 供應(yīng)商自定義消息(VDM)

　　該標(biāo)準(zhǔn)還可以擴(kuò)展用于非USB應(yīng)用的連接。結(jié)構(gòu)化的VDM允許主機(jī)發(fā)現(xiàn)和配置連接設(shè)備的可選模式，重新分配信號(hào)對(duì)用于非USB端口，如PCIe或顯示端口(DisplayPort)。非結(jié)構(gòu)化的VDM允許供應(yīng)商傳輸供應(yīng)商專用信息和配置控制數(shù)據(jù)。

　　3 USB Type-C信號(hào)

　　USB Type-C連接器的24個(gè)引腳在插頭中呈對(duì)稱分布，可實(shí)現(xiàn)“正常”或“反向”的插拔。對(duì)于用戶使用來(lái)說(shuō)很方便，但是僅有一部分的連接是“對(duì)稱”的，即USB連接是無(wú)需考慮方向的(圖2)。