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USB 3.1 Gen. 2

USB TYPE-C-Verbinder

  

Inhaltsverzeichnis

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Zum Inhalt der Artikel

Der USB 3.x-Standard beruht auf einer Unzahl von Spezifikationen und Normen, die sich drei Bereichen zuordnen lassen:

  • SuperSpeed USB 10 GBit/s
    Die Übertragung der Nutzdaten
  • USB Power Delivery
    Bereitstellung und Verteilung von Lade- und Betriebsstrom
  • USB Type-C Kabel und Verbinder
    Definition von Verbindungskabeln und Adapter

Um die Beschreibung von USB 3.x übersichtlich zu gestalten, wurde der Themenkreis in mehrere Artikel aufgeteilt. Der vorliegende Artikel "USB 3.1 Gen 2" enthält grundlegende Informationen zum USB 3.x-Konzept, zur Datenübertragung und zum USB Typ-C-Verbinder. "USB Power Delivery (USB PD)" ist das Thema eines eigenständigen Artikels.

Begriffsklärung

Im Juli 2013 veröffentlichte das USB Implementers Forum (bestehend aus 700 Unterstützern) die Spezifikationen für den bis zu 10 GBit/s schnellen USB 3.1-Bus, auch SuperSpeedPlus (SS+) genannt. In diese Spezifikation ging auch die Spezifikation für USB 3.0 (SuperSpeed) auf. Um zwischen beiden Varianten (sie haben ja u.a. unterschiedliche Verbinder) unterscheiden zu können, wurde das ehemalige USB 3.0 (mit max. 5 GBit/s) in USB 3.1 Generation 1 umbenannt. Die SuperSpeedPlus-Variante (mit max. 10 GBit/s) wird als USB 3.1 Generation 2 bezeichnet.

1. Was ist neu gegenüber USB 3.1 Gen. 1?

Abb. 1.01: Logo USB SuperSpeedPlus [1]

Die Erweiterung von USB 3.0 (bzw. USB 3.1 Gen. 1) auf USB 3.1 Gen 2. umfasst nahezu alle Bereiche. Die gesteigerte Leistungsfähigkeit von USB 3.1 Gen. 2 soll USB auf konkurrierende Schnittstellen wie Thunderbolt, DisplayPort und MHL/SuperMHL aufschließen lassen oder sogar überholen.
Die für den Verbraucher interessanten neuen Merkmale sind:

  • Die Datenrate wird von 5 GBit/s (SuperSpeed) auf 10 GBit/s (SuperSpeedPlus/SS+) erhöht. Damit können erstmalig auch unkomprimierte UHD Videosignale, z.B. von einer Kamera auf einen Monitor, per USB übertragen werden.
  • Das neue Power Management USB Power Delivery 2.0 (USB PD 2.0) wird eingeführt. Der maximal erlaubte Ladestrom wird von 3 A auf 5 A erhöht. Die Ladespannung kann bis zu 20 V betragen. Das bedeutet, dass auch Geräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 W über ein USB 3.1-Kabel versorgt werden können.  Über ein ausgeklügeltes Kommunikationsverfahren kann erkannt werden, was für ein Gerät angeschlossen ist und wie viel Lade- bzw. Betriebsstrom/-spannung zulässig ist.
  • Die erhöhten Datenraten und auch die erlaubten hohen Ströme sind über die konventionellen USB-Steckverbinder nicht zu realisieren. Daher wird ein neuer Steckverbindertyp, der USB Type-C (auch USB-C), eingeführt. Gleichzeitig soll der USB Type C-Verbinder dem Stecker-Wirrwarr ein Ende bereiten, weil USB Type-C für alle USB-Varianten und auch zu anderen ("alternativen") Schnittstellen, wie HDMI, MHL und DisplayPort, eine weitestgehende Kompatibilität garantiert werden kann. Da selbst Apple und Google mittlerweile USB Type-C als einzigen physischen Verbinder in ihre Geräte einbauen, hat USB Type-C das Potential sich zu einem Universal-Verbinder zu entwickeln.
Abb. 1.02: USB Typ C-Verbinder
Abb. 1.02: USB Typ C-Verbinder

2. Technische Beschreibung USB 3.1 Gen. 2

Von SuperSpeed nach SuperSpeed+

Für einen Verbraucher unsichtbar sind die Änderungen in den Protokollen, die den Datenfluss regeln. Hier kurz die wichtigsten:

  • Signalisierung
    USB 3.1 Gen. 2 bringt Änderungen in allen Ebenen von Host (Quelle) und Device (Gerät, Senke) und den Hubs dazwischen. Da bestehende Software (Treiber usw.) nicht verändert werden soll, wurde ein hardwareorientierter Signalisierungsmechanismus implementiert, mit dem auf einer niedrigen Ebene Bandbreiten, Energieparameter usw. ausgehandelt werden können, ohne die SuperSpeed-Kommunikation zu beeinflussen. Die neuen Leitungen CC und SBU werden in Kapitel 3.2 und Kapitel 5 beschrieben.
  • Codierung
    Um die nominelle Datenrate von 5 GBit/s auf 10 GBit/s zu erhöhen, wird der Takt verdoppelt und ein anderer, effektiverer Leitungscode eingesetzt:
    Ein Gen. 1 Transmitter im Physical Layer erhält 8 Bit-Daten (Daten und Steuerzeichen) von den höheren Protokollschichten und verwürfelt diese Daten um die elektromagnetische Störausstrahlung (EMV) zu verringern. Die verwürfelten 8-Bit-Daten werden dann in 10-Bit-Daten (Symbole) umkodiert und gesendet. Eine Bandbreitenspreizung verringert nochmal die EMV.
    Ein Receiver gewinnt den 8b/10b kodierten Bitstream aus der Differentialspannung zurück, fügt die 10-Bit-Daten aneinander, dekodiert und entwürfelt sie. Die entstehenden 8-Bit-Daten gehen in die höheren Protokollschichten zur Weiterverarbeitung. Die nominale Datenrate beträgt 5 GBit/s. Die Umkodierung von 8-Bit nach 10-Bit pro Symbol erzeugt einen 20% Overhead.
    Ein Gen. 2 Transmitter hingegen verwendet eine 128 Bits bzw. 16 Symbole lange Codegruppe. Diesem Datenblock stellt er einen 4 Bit langen Block-Identifier voran. Dieses Konstrukt wird als 128b/132b-Block bezeichnet. Durch die gegenüber Gen. 1 stark verlängerten Codegruppen verringert sich der Overhead für die Umkodierung von 20% bei 8b/10b auf etwas mehr als 3% bei 128b/132b.
  • Verbindungsarten
    USB Gen. 1 kennt nur eine Klasse (Typ 1) von Verbindungsarten. Hierin wurde u.a. zwischen isochronem, periodischem und Transaktions-Datenverkehr unterschieden. USB Gen. 2 fügt eine neue Klasse hinzu. Dieser Typ 2 ist nur für asynchrone Datenpakete. Pakete vom Typ 1 können so höher priorisiert werden, um dem zeitkritischen isochronen Datenverkehr eine angemessene Bandbreite gewährleisten zu können.
  • Geräteklassen
    Den USB-2 Geräteklassen (Device Classes) ist die neue Geräteklasse "Billboard Device" hinzugefügt worden. Die Billboard-Klasse ist ein Fallbackszenario wenn keine alternative Verbindung zwischen zwei USB-Geräten hergestellt werden kann.

 

3. Technische Beschreibung USB Type-C

3.1 USB Typ-C Verbinder

Auffälligste Neuerung an USB 3.1 Gen. 2 ist der neue Verbinder USB Type-C. Der neue Verbinder für USB muss zu den aktuellen und kommenden Generationen von Produkten passen:

  • Schmale und flache Bauweise, damit der Verbinder auch an Mobilgeräte passt.
  • Keine Typen-Unterteilung in A (für Hosts wie PCs oder Laptops) und B (für angeschlossene Geräte wie Drucker, Smartphones, Digitalkameras und anderes Zubehör).
  • Ein Standardkabel hat an beiden Enden gleiche Stecker.
  • Verdrehsicher, ein Stecker kann in beiden Richtungen in ein Port eingesteckt werden.
  • Spezielle USB Type-C-Kabel müssen auch an alternative Schnittstellen, wie DisplayPort oder Thunderbolt, anschließbar sein.
  • Der Verbinder muss eine Ladeleistung bis zu 100 W (5 A bei 20 V) verkraften können.
Abb. 3.00: USB 3.1 Gen 2 Bus-Architektur. Aufgrund des neuen USB Typ C-Verbinders können USB 2.0-Geräte nur über Adapter angeschlossen werden.
Abb. 3.00: USB 3.1 Gen 2 Bus-Architektur. Aufgrund des neuen USB Typ C-Verbinders können USB 2.0-Geräte nur über Adapter angeschlossen werden.

Der Standard des USB Typ C-Verbindungssystems beruht auf mehreren normgebenden Spezifikationen:

  • USB 2.0 Spezifikation (April 2007)
  • USB 3.1 Gen 2 Spezifikation (Juli 2013)/USB 3.2 Spezifikation (September 2017)
  • USB Power Delivery Specifikation, Revision 2.0 (März 2016) / Revision 3.0 (Januar 2017)
  • USB Billboard Device Class Specification, Revision 1.2
  • USB Battery Charging Specification, Revision 1.2
Abb. 3.01: Die komplexe Mechanik eines USB-C-Steckers
Abb. 3.01: Die komplexe Mechanik eines USB Type-C-Steckers [2]

Um den flachen Dimensionen moderner mobiler Geräte gerecht zu werden, ist der USB-C-Verbinder mit 2,56 x 8,34 mm noch kleiner als die bei USB 3.1 Gen 1 verwendeten Micro-USB-Verbinder. Um über einen solch kleinen Verbinder hohen Strom und hohe Datenraten sicher übertragen zu können, gestaltet sich der mechanische und elektrische Aufbau der Verbinder recht komplex.
Innere elektrische Verbindungen verteilen den Strom von VBUS auf vier Kontakte. Das Gleiche gilt für die Masse GND. Der USB C-Stecker hat zwischen den Kontaktreihen eine Masseplatte, die mit den zwei seitlichen Halteklammern verbunden ist. Beim Einstecken in die USB C-Buchse rasten die Halteklammern des Steckers in die seitlichen Aussparungen der mittleren Masseplatte der Buchse ein. Dadurch entsteht eine solide mechanische und elektrische (Masse-) Verbindung.

Abb. 3.02: USB Type-C-Stecker und Kupplung
Abb. 3.02: USB Type-C-Stecker und Kupplung

Die USB-C-Verbinder haben zwei Reihen mit jeweils 12 Kontakten. C-Stecker und C-Buchsen sind horizontal und vertikal spiegelsymmetrisch.  Somit kann ein Stecker in zwei Positionen in eine Type C- Buchse eingeführt werden. Da ein Standard USB Type-C-Kabel immer an beiden Enden einen Type-C-Stecker hat, kann ein Kabel nicht mehr falsch eingesteckt werden

Die Haltbarkeit sollte >10.00 Steckzyklen betragen.

Abb. 3.03: Pinbelegung der USB-Type-C-Buchse als Portanschluss
Abb. 3.03: Pinbelegung der USB-Type-C-Buchse als Portanschluss
Abb. 3.04: Pinbelegung eines USB-Type-C-Steckers
Abb. 3.04: Pinbelegung eines USB-Type-C-Steckers

3.2 Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung

Die Signale in einer USB 3.1-Verbindung lassen sich in fünf Gruppen aufteilen: SuperSpeed-Link, USB 2.0-Link, Konfiguration, Hilfssignale und Power.

Abb. 3.05: Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung
Abb. 3.05: Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung
SuperSpeed-Link

Der SuperSpeed-Link besteht aus zwei Paar abgeschirmten Twisted-Pair- oder Koaxialleitungen. Auf jedem Leitungspaar wird ein symmetrisches Signal in nur eine Richtung übertragen (= Dual Simplex-Verfahren). Das Signal ist mit einem 128b/132b-Leitungscode versehen.

USB 2-Link

Der USB2-Link stellt die Kompatibilität zur alten USB 2-Schnittstelle her. Der Link ist als einfaches, geschirmtes Twisted-Pair-Leitungspaar ausgelegt. Die Übertragung der Daten erfolgt im Halbduplex-Verfahren.

Configuration Channel / VCONN

Abhängig von der Orientierung des Steckers in der Buchse können die Pins A5 und B5 abwechselnd die Funktion des Configuration Channels (CC) oder der VCONN übernehmen. Über den Configuration Channel (CC) werden das Anstecken eines Kabels und die Orientierung des Steckers durch die CC-Logik detektiert. VCONN liefert dann eine Betriebsspannung für elektronisch markierte Kabel. So können die Portprozessoren und die Chips in den Kabeln untereinander SOP*-Nachrichten austauschen und einander die Rollen im System zuweisen.

Die CC1/CC2-Leitungen haben einen Mindestquerschnitt von 32 AWG (ca. 0,03 mm2).

SBU

Zwei Leitungen für Seitenbandübertragung (Sideband Use) und zur Übertragung von analogen Audiosignalen. Siehe auch Kapitel 5 "Die Hilfssignale SBU1 und SBU2"

VBUS

Eine Leitung, die bis zu 5 A Ladestrom übertragen kann. Querschnitt ca. 20-28 AWG (ca. 0,08-0,52 mm2)

GND

Masse, eine oder zwei verzinnte Leitungen. Querschnitt ca. 20-28 AWG (ca. 0,08-0,52 mm2)

3.3 Aufbau des Kabels

Die Spezifikation von USB 3.1 Gen. 2 sieht drei Typen von USB Type-C- Kabeln vor. Je nach Kabeltyp kann ein USB-C-Kabel zwischen 5 und 18 Leitungen haben. Zu unterscheiden sind zwei Datenbussysteme, die Leitungen zur Seitenbandübertragung und die Leitungen zur Strom- und Spannungsversorgung. Der Kabeldurchmesser beträgt, abhängig vom Kabeltyp, ca. 4-6 mm

Abb. 3.06: Signale in einem voll ausgestattetem Kabel (Full Featured Cable)
Abb. 3.06: Signale in einem voll ausgestattetem Kabel (Full Featured Cable)
Abb. 3.07: Aufbau eines USB 3.1 Gen. 2-Kabels
Abb. 3.07: Aufbau eines USB 3.1 Gen. 2-Kabels

3.4 USB Type-C-Kabel Varianten und Typen

Im USB 3.1-Standard sind nur zwei reine USB Typ C-Kabel vorgesehen: das Full Featured Cable (voll ausgestattetes Kabel) und das USB 2.0 Type-C-Kabel. Zusätzlich sind Kabel erlaubt, die nur einen USB Type-C-Stecker haben. Das andere Ende des Kabels muss dann fest mit einem Gerät (Captive Cable Assembly) verbunden sein.

Um eine Interoperabilität zwischen mit USB C-Anschlüssen ausgestatteten Produkten und älteren USB-Produkten zu ermöglichen, sind einige gemischt bestückte Kabel und Adapter definiert worden.

3.4.1 Full Featured Cable / Elektronisch markiertes Kabel

Abb. 3.08: Full Featured Cables sind mit Chips in den Steckern zur elektronischen Markierung ausgestattet.
Abb. 3.08: Full Featured Cables sind mit Chips in den Steckern zur elektronischen Markierung ausgestattet.

Das "Full Featured Cable" (voll ausgestattete Kabel) hat an beiden Enden einen USB-C-Stecker. Alle Daten-Busse und Signalisierungsleitungen sind wegen der Verdrehsicherheit der Verbinder doppelt ausgelegt. Es wird aber immer nur ein Satz Leitungen zurzeit verwendet. Der zweite Signalleitungssatz kommt nur dann zum Einsatz, wenn ein Stecker um 180° gedreht eingesteckt ist (siehe auch Abb. 3.16 und Abb. 3.17). Bei allen Full Featured Cables sind in einem oder in beiden Steckern Chips zur elektronischen Markierung integriert. Full Featured Cables gibt es in mehreren Varianten:

Aktive Kabel

Signale, die Datenströme mit mehreren GBit/s übertragen, verlieren durch lange Leiterbahnen, Leitungen und parasitäre Kapazitäten an Qualität. In längeren Kabeln können Signalkonditionierer integriert werden, die das SS+-Signal wieder aufbereiten. Der Signalkonditionierer ist ein aktiver Baustein und muss daher über VCONN mit Betriebsspannung versorgt werden.

Passive Kabel

Als passive Kabel werden elektronisch markierte Kabel ohne Signalkonditionierer bezeichnet.

Konfigurierbare aktive Kabel (Managed Active Cables)

Aktive Kabel, die konfiguriert werden können (z.B. zur Steuerung von Ladeströmen), benötigen mindestens einen Kontroller, der eine SOP*-Kommunikation mit einem USB Port-Controller ermöglicht.

3.4.2 USB 2.0 Type C-Kabel

Ein USB 2.0 Type-C Kabel hat das gleiche Aussehen wie ein USB 3.1 Type-C Kabel. Es sind jedoch nicht alle Kontakte beschaltet. USB 2.0 Type-C-Kabel mit einem erlaubten Ladestrom über 3 A müssen elektronisch markiert sein. Die elektronische Markierung (VCONN) liegt auf Pin B5.

Abb. 3.09: Pinbelegung USB 2.0 Type-C Stecker
Abb. 3.09: Pinbelegung USB 2.0 Type-C Stecker

3.4.3 Kabel mit gemischt bestückten Steckern

Um den Betrieb von älteren USB-Geräten (USB 1 bis USB 3.1 Gen. 1) zusammen mit neuen USB 3.1 Gen. 2 Geräten zu ermöglichen, wurden einige Standard-Mischkabel zugelassen. In den USB Type-C-Steckern dieser Kabel sind spezielle Kennwiderstände eingebaut. Anhand dieser Kennwiderstände erkennt der USB 3.1 Gen.2 Port-Prozessor, dass ein älteres USB-Gerät angeschlossen ist und begrenzt den erlaubten Ladestrom entsprechend.

Abb. 3.10: Die erlaubten Steckerkombinationen in der USB-Familie
Abb. 3.10: Die erlaubten Steckerkombinationen in der USB-Familie

3.4.4 Adapter

Adapter sind kurze Kabel, bei denen an einem Ende ein USB-C-Stecker und am anderen Ende eine Kupplung (Receptacle) montiert ist. Adapter dienen dazu, USB-Geräte wie Speichersticks oder USB Festplatten direkt anzuschließen.

Die Systemfunktionalität ist bei der Verwendung dieser Adapter zusammen mit anderen USB-Kabeln nicht gewährleistet!

Abb. 3.11: Die erlaubten Adapter
Abb. 3.11: Die erlaubten Adapter

3.4.5 Kabel für alternative Modi

Als alternative Modi werden Nicht-USB-Protokolle bezeichnet, die aber über eine USB Type-C-Verbindung übertragen werden können. Die einzelnen Pins der Verbinder werden anderen Funktionen zugeordnet. Potentiell kann so im MHL-, HDMI-, DisplayPort- und Thunderbolt-Format übertragen werden. Mehr im Kapitel 6: Alternative Verbindungsmodi

3.5 USB Type-C Ports und Port Controller

Damit zwei oder mehr USB-Geräte miteinander funktionieren können, müssen sie kommunizieren und entsprechend ihren Eigenschaften eine Funktion bzw. "Rolle" zugewiesen bekommen. Diese Kommunikation findet zwischen den USB Type-C-Schnittstellen, den Ports, statt. Ein Port besteht aus der Typ-C-Buchse, dem Port-Controller und einer diskreten oder integrierten Schaltermatrix. USB Type-C-Ports können in unterschiedlichen Konfigurationen auftreten:

  • DFP / UFP (Downstream Facing Port / Upstream Facing Port)
    Definiert die Position des Ports in der USB-Topologie. Ein DFP entspricht dem alten USB A-Port/Host/Quelle, ein UFP entspricht dem alten USB B-Port/Device/Senke.
  • Source / Sink (Quelle / Senke)
    Definiert die augenblickliche Rolle des Ports als Stromquelle oder Verbraucher (Stromsenke). Analog dazu ist ein Datensender eine Datenquelle und ein Empfänger eine Datensenke.
  • DRP (Dual Role Power)
    Der Port kann als Stromquelle oder Verbraucher (Stromsenke) arbeiten.
  • DRD (Dual Role Data)
    Der Port kann sowohl DFP als auch als UFP arbeiten.

Die Rolle eines Ports kann während des Betriebes geändert werden. Auch ein gemischter Betrieb, z.B. die parallelen Rollen als Datenquelle und als Stromsenke ("Sinking Host"), ist möglich.

Abb. 3.12: Ein Dual Role Power-Port (DFP) als DFP (Downstream Facing Port)
Abb. 3.12: Ein Dual Role Power-Port (DFP) als DFP (Downstream Facing Port)
Abb. 3.13: Eine USB-Senke als UFP (Upstream Facing Port)
Abb. 3.13: Eine USB-Senke als UFP (Upstream Facing Port)
SOP-Kommunikation - Die Port-zu-Port-Kommunikation

SOP-Kommunikation dient der Port-zu-Port Kommunikation. Kommuniziert wird mittels sog. SOP-Nachrichten auf dem CC (Configuration Channel). Diese Kommunikation wird ausschließlich von den Port-Partnern geführt.

Eine detaillierte Beschreibung der SOP-Kommunikation und der Zuweisung von Profilen und Rollen finden Sie im Artikel "USB Power Delivery" im Kapitel "Aushandeln von Profil und Rolle"

USB-Defaultladestrom (Hardware Start)

Werden zwei USB-Geräte direkt oder über ein Kabel verbunden, muss zuerst der maximale USB-Defaultladestrom und die Orientierung der C-Verbinder zueinander festgestellt werden. Dann können die Rollen im System ausgehandelt werden. Um diesen kleinsten gemeinsamen Nenner zu finden, sind alle USB-Geräte und Type-C-Kabel mit Kodierwiderständen auf den Leitungen des Configuration Channels (CC) versehen. Mit deren Hilfe können sich, rein auf Hardwarebasis, die Geräte und Kabel einander erkennen.

Tabelle 3.14: "Wahrheitstabelle" des Verbindungsstatus einer Quelle über Kodierwiderstände

Eine detaillierte Beschreibung finden Sie im Artikel USB Power Delivery

Erkennung der Steckerorientierung

USB Type-C-Kabel haben an beiden Enden gleiche Stecker, die aufgrund ihrer horizontalen und vertikalen Symmetrie in zwei Positionen eingesteckt werden können. Damit in den Ports die Signalpfade korrekt geschaltet werden können, muss deren CC-Logik die Richtung des Kabels und die Orientierung der Stecker bekannt sein. Hierzu wertet die CC-Logik die Pegel von CC1 und CC2 aus. Da durch die Last von Rd die Spannung auf CC zunächst sinkt und, nachdem die Senke mit Betriebsspannung versorgt wird, auf einen höheren Wert steigt, kann die Logik in der Quelle CC und damit die Orientierung des Steckers erkennen. Abb. 3.16, Abb. 3.17 und Abb. 3.18 zeigen den Signalfluss bei verschiedenen Steckerorientierungen und Gerätetypen.

Animation 3.15: Direkte Verbindung von DFP und UFP. Die Senke (z.B. ein USB-Stick) wird abwechselnd in beiden Positionen eingesteckt. Die Spannung von CC zeigt die Position an.
Animation 3.15: Direkte Verbindung von DFP und UFP. Die Senke (z.B. ein USB-Stick) wird abwechselnd in beiden Orientierungen eingesteckt. Die Spannung von CC zeigt die Orientierung an.
Abb. 3.16: Direkte Verbindung (Steckerposition 1 auf Steckerposition 1)
Abb. 3.16: Direkte Verbindung (Steckerorientierung 0° auf Steckerorientierung 0°)
Abb. 3.17: "Gedrehte" Verbindung (Steckerorientierung 180° auf Steckerorientierung 0°)
Abb. 3.17: "Gedrehte" Verbindung (Steckerorientierung 180° auf Steckerorientierung 0°)
Abb. 3.18: Thumb Drives (USB-Sticks usw.) verfügen über keine Schaltermatrix. Hier muss die Quelle den richtigen Pfad auswählen.
Abb. 3.18: Thumb Drives (USB-Sticks usw.) verfügen über keine Schaltermatrix. Hier muss die Quelle den richtigen Pfad auswählen.

4. Verbindungszustände

Die Verbindung zwischen zwei Ports kann sich in mehreren, unterschiedlichen Zuständen befinden. Die Link Training and Status State Machine (LTSSM) steuert den Verbindungsaufbau, die Aufrechterhaltung der Verbindung, Fehlerkontrolle und das Power-Management der Verbindung (ACHTUNG! Nicht zu verwechseln mit USB PD, das ausschließlich für die Lieferung von Lade- und Betriebsströmen zuständig ist).

4.1 Link Training und Status State Machine

Die Link Training and Status State Machine unterscheidet zwölf Hauptzustände, die auf ihre jeweilige Funktion bezogen sind. Abb. 4.01 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung, wobei jeder der gezeigten Stati in der Realität selbst eine eigenständige Statusmaschine ist, die eigene Substati verwendet.
Die Ereignisse (Trigger), die die Statusmaschinen "antreiben", sind sehr unterschiedlich. Es können externe Einflüsse sein, wie z.B. :

Abb. 4.01: Verbindungsaufbau und Kommunikation auf dem SS-Bus wird über eine Statusmaschine gesteuert.

Beschreibung der Hauptzustände der Link Training und Status State Machine:

  • eSS.Disabled
    eSS.Disabled ist ein Status in dem eine Enhanced SuperSpeed-Verbindung deaktiviert wurde und der Port hochohmig geschaltet ist.
  • eSS.Inactive
    eSS.Inactive ist ein Status in dem eine Verbindung nicht den Enhanced SuperSpeed-Modus erreicht hat.
  • Rx.Detect
    Rx.Detect ist der Status in dem Impedanzänderungen, z.B. durch Anschluss eines Kabels oder Gerätes, an Upstream- oder Downstream-Ports detektiert werden können.
  • Polling
    Polling ist ein Status zum Aushandel der Porteigenschaften und für das Link-Training. Während des Polling findet zwischen den Ports ein Handshake per LFPS im SuperSpeed-Modus statt. Abschließend startet das Link-Training.
  • Compliance Mode
    Der Compliance Mode dient dazu den Sender auf Konformität bezüglich Spannung und Timing zu prüfen.
  • U0
    U0 ist der Normalbetrieb in dem Pakete gesendet und empfangen werden können.
  • U1
    U1 ist ein Niedrigenergie-Modus in dem keine Pakete gesendet werden können. Beide Ports einigen sich darauf die Enhanced SuperSpeed-Schnittstellen in einen Low Power-Modus zu schalten.
  • U2
    U2 ist ein Verbindungsstatus in dem mehr Energiesparmaßnahmen als im U1-Status möglich sind. Allerdings steigen die Latenzzeiten.
  • U3
    U3 ist ein Verbindungsstatus in dem ein Gerät in einen Ruhemodus geschaltet wird. Hierdurch wird Energie im Gerät und in der Verbindung eingespart.
  • Recovery
    In den Recovery-Status wird eingetreten um die Verbindung neu zu trainieren, einen Hot-Reset zu vollziehen oder um in den Loopback-Modus zu gehen.
  • Loopback
    Im Loopback-Status werden die Receiver von Ports getestet und Fehler isoliert.
  • Hot Reset
    Nur ein downstream gerichteter Port kann ein Hot Reset initiieren. Hierzu sendet er eine Reihe von speziellen Symbolen ("Orderes Sets"). Der upstream gerichtete Port sendet die gleichen Symbole in geänderter Form zurück und beide Ports treten dann in den Hot Reset-Prozess ein. Nach dessen Beendung findet ein weiterer Symbol-Handshake zwischen den Ports statt. Anschließend gehen beide Ports in den U1-Status.

4.2 Low Frequency Periodic Signaling (LFPS)

Low frequency periodic signaling (LFPS) dient zur Außenbandkommunikation zwischen zwei Ports über eine Verbindung, die sich in einem Niedrigenergiemodus befindet (z.B. beim Training oder einem Warm Reset).

Abb. 4.02: Prinzip der Low Frequency Periodic Signaling- (LFPS-) Signalisierung

Abb. 4.02 erläutert das Prinzip von LFPS. Die differentielle Signalamplitude beträgt 0,8 bis 1,2 Vss (im Low Power-Modus 0,4 - 0,6 Vss). Die Zeitspanne tPeriod entspricht der Periode eines LFPS-Zyklus (Dauer: 20 -100 ns). Ein LFPS-Burst ist die Übertragung vom LFPS-Signal über eine bestimmte Zeit, die durch tBurst definiert ist. tBurst stellt somit eine definierte Anzahl von LFPS-Zyklen dar. Eine LFPS-Nachricht wird über über die Länge von tBurst kodiert. So löst z.B. ein Burst von 100 ms an einen Upstream-Port gesendet einen Warm Reset aus.

4.3 Link Training

Das Link Training dient

  • zur Initialisierung und Konfiguration einer Verbindung
  • zur Erkennung der Phasen- und Frequenzinformationen, die zur Wiedergewinnung von Clock und Daten aus dem eingehenden Datenstrom benötigt wird.
  • um Einstellungen der Equalizer der Empfänger (Receiver) in den Ports zu optimieren.

Hierzu werden vorgegebene Symbolfolgen (sog. Ordered Sets) als Trainingssequenzen in Variationen immer wieder gesendet, empfangen und auf Fehler hin untersucht (beim Training des Equalizer z.B. 528.288 mal). Erst wenn die Übertragung praktisch fehlerfrei ist, erfolgt die Übermittlung von Nutzdaten.

5. Die Hilfssignale SBU1 und SBU2

Den für einen Seitenbandbetrieb ("Sideband Use") vorgesehenen Signalen SBU1 und SBU2 ist zurzeit (Juni 2016/März 2018) noch keine endgültige Funktion zugeordnet. Dieses wird in zukünftigen Versionen des USB Type-C-Spezifikationen geschehen. In der Spezifikation zu USB 3.1 Gen 2 (Rev. 1.2) wird eine mögliche Verwendung bei alternativen Verbindungen und mit USB Type-C-Verbinder, über die analoges Audiosignal übertragen wird (z.B. Kopfhörer), beispielhaft aufgeführt.

Abb. 5.01: Passiver 3,5 mm-Klinkenbuchse-nach-USB Type-C-Adapter
Abb. 5.01: Passiver 3,5 mm-Klinkenbuchse-nach-USB Type-C-Adapter

Abbildung 5.01 zeigt einen einfachen 3,5 mm analogen Audioadapter. In diesem Entwurf wird über einen Einzelkontakt, der beim Einstecken des Klinkensteckers öffnet, CC und VCONN von der digitalen Masse DGND getrennt. Dies bewirkt ein Auslösen der USB Type-C Detektorlogik und ein Erkennen des Verbindungsstatus.

6. Alternative Verbindungsmodi

Alle mit einem USB Type-C-Verbinder ausgestatteten USB-Geräte (außer Ladegeräte) müssen auch ein USB-Interface aufweisen. Um aber auch Nicht-USB-Geräte (z.B. Monitore) mit USB-C-Geräten kombinieren zu können, wurden alternative Verbindungsmodi spezifiziert. In den alternativen Modi findet eine eingeschränkte Signalisierung nur über den CC-Bus statt.

Abb. 4.05: Standardisierter Verbindungsaufbau für alternative Modi
Abb. 4.05: Standardisierter Verbindungsaufbau für alternative Modi

Durch die Verwendung von strukturierten VDMs (Vendor Defined Messages) können Hosts und Geräte einander erkennen und so konfigurieren, dass eine Verbindung in einem alternativen Modus möglich wird. Durch die Rekonfiguration des Verbinders können sich Verwendungszweck von Pins der Verbinder und die Funktionsweise von Bussen ändern.
Bislang (Juni 2016) sind vom USB Implanters Forum zwei alternative Modi spezifiziert worden:

6.1 Alternativer Modus "MHL-Verbindungen"

MHL-Verbindungen können über mehrere Verbindertypen/Verbindungskabel hergestellt werden:

  • USB Type-C <-> USB Type-C
  • USB Type-C <-> HDMI Type A
  • USB Type-C <-> Micro-USB
  • USB Type-C <-> SuperMHL

Aufgrund der unterschiedlichen Konstruktionen der Verbinder und der unterschiedlichen Anzahl und Ausführung der Leiter in den Kabeln sind nicht alle Verbindungen gleichwertig.

MHL-Quelle mit USB Type-C und MHL-Senke mit HDMI Type A-Verbinder
Abb. 4.06: Alternativer Modus MHL (Single Lane) über HDMI Type A-Verbinder
Abb. 4.06: Alternativer Modus MHL (Single Lane) über HDMI Type A-Verbinder

USB Typ-C / HDMI Type A-Kabel müssen elektronisch markiert sein. Beim Einstecken des Kabels in den Host/Quelle kann dieser so den Kabeltyp, den Verbindungstyp und die Position des Steckers (wichtig, da das Kabel asymmetrisch ist) erkennen. Die Versorgung des Chips im Kabelstecker erfolgt über die VCONN aus dem Host. Gleichzeitig können aber die Akkus in der Quelle aus der Senke über den VBUS geladen werden. Je nach Blickwinkel sind beide Geräte mal Quelle und mal Senke. Da MHD in Kombination mit HDMI Type A-Stecker mit nur einer TMDS-Lane ausgelegt ist, wird maximal eine MHD-3-Verbindung (Auflösung max. 3840x2160 Pixel / 30 Vollbilder/s (= UHD-1)) unterstützt.

Abb. 4.07: Pinbelegung MHL1 bis MHL-3-Source mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.07: Pinbelegung MHL1 bis MHL-3-Source mit USB Type-C-Verbinder
MHL / SuperMHL über USB Type-C-Kabel

Alternative Verbindungen über ein Full Featured Cable können bis zu vier TMDS-Lanes unterstützen. Damit sind bei einer Lane 4K-Auflösungen mit 60 Hz und 8K-Auflösungen mit 60 Hz über vier Lanes möglich. Die Orientierung der Stecker des Kabels ist gleichgültig.

Abb. 4.08: SuperMHL-Quelle mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.08: SuperMHL-Quelle mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.09: Pinbelegung Super MHL-Quelle mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.09: Pinbelegung Super MHL-Quelle mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.10: SuperMHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.10: SuperMHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.11: Pinbelegung SuperMHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 4.11: Pinbelegung SuperMHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder

6.2 Alternativer Modus "DisplayPort-Verbindungen"

DisplayPort-Standardbetrieb mit bis zu vier Lanes

Mit einem passiven Full Feature USB Type-C nach Type-C-Kabel können die vier SuperSpeed-Links als vier DisplayPort Lanes genutzt werden. Damit lassen sich mit 2 x 10 GHz Bandbreite nahezu alle gegenwärtigen und angekündigten DP-Datenraten und Displayauflösungen (max. bei DP v1.3 mit 25,92 GB/s und 8K bei 60 Hz) realisieren. Die USB 2.0 Features und das USB Power Delivery-Konzept (USB PD) wird voll unterstützt.

Abb. 4.12: DisplayPort-Quelle mit USB Type C-Verbinder
Abb. 4.12: DisplayPort-Quelle mit USB Type C-Verbinder
Abb. 4.13: Pinbelegung DisplayPort-Quelle mit USB Type C-Verbinder
Abb. 4.13: Pinbelegung DisplayPort-Quelle mit USB Type C-Verbinder

Gleichzeitiger Betrieb von DisplayPort und USB 3.1 / USB 2.0

Bei der Verwendung einer Docking-Station oder dem Anschluss eines Hosts an ein Display oder TV mit USB 3.1-Anschluss ist es oft vorteilhaft DisplayPort und USB 3.1 zugleich verwenden zu können. Eine solche Konfiguration kann mit einem geeigneten Full Feature USB-C / USB-C-Kabel vorgenommen werden. Beide Bus-Systeme verwenden dabei jeweils zwei Lanes.
DisplayPort leistet mit zwei Lanes:

  • DP 1.2: zwei 1080p Displays oder ein Display mit 2560 x 1600 Pixeln
  • DP 1.3: 4K mit 60 Hz oder HDR 4K/60 Hz mit 4:2:0 Abtastung und einer Farbtiefe von 12 Bit/Pixel pro Farbe.

Steht in der DP-Senke nur ein USB 2.0-Interface zur Verfügung, können alle vier Lanes für DP verwendet werden. So können ein Display mit 4K/60 Hz oder zwei Displays mit 2560 x 1600 Pixel oder vier 1080p Displays betrieben werden.

Abb. 4.14: DisplayPort und USB 3.1 gleichzeitig über ein Standard USB Type-C Full Feature Passive Cable
Abb. 4.14: DisplayPort und USB 3.1 gleichzeitig über ein Standard USB Type-C Full Feature Passive Cable

USB Type-C / DisplayPort Adapterkabel

Die einfachste und günstigste Lösung zwei DisplayPort-Geräte miteinander zu verbinden, ist ein Adapterkabel. Verwendet werden kann es von USB Type-C-Geräten, die die alternativen DisplayPort-Verbindungsmodi beherrschen. Auch ältere DP-Quellen und DP-Senken werden unterstützt. Die Übertragung erfolgt auf allen (bis zu vier) Lanes und funktioniert in beiden Richtungen und Steckerorientierungen. USB und andere alternative Modi werden nicht unterstützt.

Abb. 4.15: USB-Type-C DisplayPort Adapterkabel
Abb. 4.15: USB-Type-C DisplayPort Adapterkabel. Die Pinbelegung des USB Typ-C-Verbinders entspricht Abb. 4.13

6.3 Alternativer Modus mit der Billboard-Geräteklasse

Gelingt es zwei Geräten nicht einen gemeinsamen alternativen Modus zu finden, kann der Senke eine neue Geräteklasse innerhalb des USB 2.0-Schemas zugewiesen werden. Die als Billboard (= Anschlagtafel) bezeichnete Geräteklasse verfügt über ein vom VBUS versorgten Kommunikationsmechanismus, der auf einem (mindestens) USB 2.0-Interface beruht. Über eine rudimentäre Kommunikation kann ein Billboard-Gerät Textstrings (USB Billboard Device Class Information) an das Betriebssystem des Hosts übertragen. Der Host informiert dann den User, z.B. durch eine Texteinblendung auf einem Display, dass ein nicht unterstütztes Gerät angeschlossen wurde und bietet ggf. weitere Unterstützung an. Voraussetzung ist natürlich, dass das Betriebssystem über einen Treiber für Billboard-Geräte verfügt.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Alle "USB"-Logos und Piktogramme sind geschützte Warenzeichen der USB.ORG
Quelle:  http://www.usb.org

[2] Quelle: http://www.usb.org/developers/presentations/USB_DevDays_Taipei_2015_-_USB_Type-C.pdf
(Dokument nicht mehr verfügbar)

[3] Quelle: http://www.usb.org/developers/presentations/USB_DevDays_Taipei_2015_-_USB_Type-C.pdf
(Dokument nicht mehr verfügbar)

Weblinks

USB 3.1 Specification http://www.usb.org/developers/docs/documents_archive/

USB Type-C™ Cable and Connector Specification:
http://www.usb.org/developers/usbtypec/

Präsentationen von den USB Developer Days in Taipei, Taiwan im November 2015:
http://www.usb.org/developers/presentations/
(Dokumente nicht mehr verfügbar)

MHL-White Papers (Registrierung notwendig)

Informationen und Standards zu DisplayPort:
http://www.vesa.org/displayport-developer/presentations/

 

 

 

Zuletzt bearbeitet am 19.März 2018

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