从硬件角度解析苹果新MacBook上的USB Type-C

1、USB Type-C是什么？

USB Type-C的诞生并不久远，在2014年8月发布的USB 3.1标准中才刚刚定稿。它是一种新型USB线缆及连接器的规范，定义了包括连接器、端口、容器和线缆等在内的一整套全新的USB物理规格。

全新的接口尺寸和略显酷炫的名称，非常容易使第一次听到这个名词的消费者以为这是一种全新的USB标准，但实际上并不是。USB Type-C只是USB 3.1标准的一部分，而不是一个新的标准。另外，需要说明的是，与常见的USB 2.0类似，USB 3.1标准仍有Type-A（常见于电脑主机）和Micro-B（常见于安卓手机）等接口，Type-C并不是消费者享受USB 3.1高速数据传输的唯一选择。

2、苹果为什么放弃Thunderbolt 接口？

Thunderbolt是苹果与Intel公司深度合作推出的一种技术，它融合了传统的PCIe数据传输技术和DisplayPort显示技术。 Thunderbolt接口于2011年被苹果应用于Macbook Pro笔记本中。

它的主要优点是：带宽大，传输速度快。经过改造后的新版Thunderbolt 2接口，可以实现双向20Gbps的理论传输速度，远高于USB 3.1的10Gbps理论传输速度。

在此次发布会之前，Thunderbolt一直被认为是被苹果和Intel看重并将大力推广的接口规范。那为什么苹果会最终选择在新款Macbook中采用USB Type-3呢？

通过对比两种接口规格的相关信息，我们谨慎猜测可能有以下几个方面的原因：

接口尺寸：相比USB Type-C的纤细（2.5mm），Thunderbolt接口在尺寸上并不占有任何优势。
   
成本控制：在Intel的强力控制下，Thunderbolt接口芯片的价格多年来居高不下，对各种相关设备的制造成本和零售价格带来非常大的压力；而USB Type-C芯片的售价相对低廉很多，可以极大帮助苹果控制硬件成本。
   
供电能力：Thunderbolt接口仅能提供最大10W的功率输出，而USB 3.1 Type-C接口可以提供高达100W的功率输出，即可以通过Typc-C接口无需任何适配器直接为另外一部笔记本电脑或智能手机进行充电。
   
扩展能力：USB 3.1拥有广泛的扩展空间，包括4K影像的DisplayPort输出也可通过USB 3.1轻松实现。

实际上，苹果并不是唯一选择USB Type-C的设备制造商，甚至不是第一个。今年1月刚刚在中国发布的Nokia N1平板电脑也异曲同工的选择了USB Type-C作为其唯一的数据接口。我们相信，基于其卓越的数据传输性能、纤薄的接口尺寸和低廉的价格，加上苹果设备等明星产品的推波助澜，USB Type-C应该能在接下来的几年时间里迅速普及，在新的移动化时代中大放异彩。

 说到USB Type-C到底有哪些优势呢？尺寸小，支持正反插，速度快（10Gb）。这个小是针对以前电脑上的USB接口说的，实际相对android机上的microUSB还大了点：

尺寸对比：

USB Type-C：8.3mmx2.5mm

microUSB：7.4mmx2.35mm

而lightning：7.5mmx2.5mm

所以，从尺寸上我看不到USB Type-C在手持设备上的优势。而速度，只能看视频传输是否需要了。

引脚定义

可以看到，数据传输主要有TX/RX两组差分信号，CC1和CC2是两个关键引脚，作用很多：

    探测连接，区分正反面，区分DFP和UFP，也就是主从

    配置Vbus，有USB Type-C和USB Power Delivery两种模式

    配置Vconn，当线缆里有芯片的时候，一个cc传输信号，一个cc变成供电Vconn

    配置其他模式，如接音频配件时，dp，pcie时

电源和地都有4个，这就是为什么可以支持到100W的原因。


不要看着USB Type-C好像能支持最高20V/5A，实际上这需要USB PD，而支持USB PD需要额外的pd芯片，所以不要以为是USB Type-C接口就可以支持到20V/5A。

当然，以后应该会出现集成到一起的芯片。

辅助信号sub1和sub2（Side band use），在特定的一些传输模式时才用。

d+和d-是来兼容USB之前的标准的。

这里说一下，USB3.0只有一组RX/TX，速度是5Gb，USB Type-C为了保证正反都可以插就用了两组，但实际上数据传输还是只用了一组RX/TX,速度就已经达到10Gb了。如果后面升级协议，两组都传的话就和DisplayPort一样20Gb了。

下一页：USB Type-C的工作流程

4、USB Type-C的工作流程


上图DFP (Downstream Facing Port)也就是主， UFP (Upstream Facing Port) 为从。除了DFP、UFP，还有个DRP (Dual Role port)，DRP可以做DFP也可以做UFP。当DPR接到UFP，DRP转化为DFP。当DRP接到DFP，DRP转化为UFP。两个DRP接在一起，这时就是任意一方为DFP，另一方为UFP。

在DFP的CC pin有上拉电阻Rp，在UFP有下拉电阻Rd。未连接时，DFP的VBUS是无输出的。连接后，CC pin相连，DFP的CC pin会检测到UFP的下拉电阻Rd，说明连接上了，DFP就打开Vbus电源开关，输出电源给UFP。 而哪个CC pin（CC1，CC2）检测到下拉电阻就确定接口插入的方向，顺便切换RX/TX。

电阻Rd=5.1k，电阻Rp为不确定的值，根据前面的图看到USB Type-C有几种供电模式，靠什么来甄别？就靠Rp的值，Rp的值不一样，CC pin检测到的电压就不一样，然后来控制DFP端执行哪种供电模式。

需要注意的是，上图里画了两个CC，实际上在不含芯片的线缆里只有一根cc线。

含芯片的线缆也不是两根cc线，而是一根cc，一根Vconn，用来给线缆里的芯片供电（3.3V或5V），这时就cc端没有下拉电阻Rd，而是下拉电阻Ra，800-1200欧。


当CC pin两个都接了下拉电阻<=Ra，DFP进入音频配件模式，左右声道，mic都俱全，如上图。

5、USB Type-C和DisplayPort，PCIE

USB PD是BMC编码的信号，而之前的USB则是FSK，所以存在不兼容，不知道目前市面上有没有能转换的产品。

USB PD是在CC pin上传输，PD有个VDM (Vendor defined message)功能，定义了装置端ID，读到支持DP或PCIe的装置，DFP就进入替代（alternate）模式。

如果DFP认到device为DP，便切换MUX/Configuration Switch，让Type-C USB3.1信号脚改为传输DP信号。AUX辅助由Type-C的SBU1,SUB2来传。HPD是检测脚，和CC差不多，所以共用。

而DP有lane0-3四组差分信号， Type-C有RX/TX1-2也是四组差分信号，所以完全替代没问题。而且在DP协议里的替代模式，可以USB信号和DP信号同时传输，RX/TX1传输USB数据，RX/TX2替换为lane0,1两组数据传输，此时可支持到4k。

如果DFP认到device为DP，便切换MUX/Configuration Switch，让Type-C USB3.1信号脚改为传输PCIe信号。同样的，PCIe使用RX/TX2和SBU1,SUB2来传输数据，RX/TX1传输USB数据。

这样的好处就是一个接口同时使用两种设备，当然了，转换线就可以做到，不用任何芯片。

总结

USB Type-C终结了长期以来USB插来插去的缺陷，节省了人们大量的时间，换一次方向至少2s吧，按全球10亿人每天插拔一次USB，50%概率插错，共耗时277000多小时，约为31年，太恐怖了。

一个接口搞定了音视频数据三种，体积还算小。可以预见，以后安卓机可以改为USB Type-C接口了，如果只需要USB2.0的话，只需要重做线缆，不用芯片，成本上完全可以忽略不计。

至于Thunderbolt，lightning，该怎样还是怎样吧。百花齐放才是五彩的世界。