Złącza USB-C mogą potencjalnie stać się jedynym interfejsem potrzebnym do transmisji danych w wielu przyszłych laptopach i smartfonach. Jednak tego typu urządzenia nadal będą musiały zapewnić możliwość komunikacji z urządzeniami pozbawionymi USB, takimi jak monitory i telewizory. Przełączanie się między USB i innymi protokołami wysokiej szybkości w jednym złączu stanowi wyzwanie dla projektantów. Trudności sprawia przełączanie się między funkcjami pinów, zapewnienie ochrony przed skokami napięcia i wyładowaniami oraz zapewnienie odpowiedniej jakości sygnału. Standard USB typu C odpowiada na te wyzwania, definiując alternatywny tryb pracy (Alternate Mode, AM), który pozwala na dynamiczną zmianę funkcji pinów i obsługę protokołów innych niż USB.

Niniejszy artykuł omawia różne standardy, które razem pozwalają na wykorzystanie złączy USB-C do transmisji strumienia HDMI i innych nietypowych formatów. Zostaną też przedstawione zagadnienia projektowe, które należy uwzględnić, dodając obsługę trybu naprzemiennego HDMI do interfejsu USB typu C.

Omówienie specyfikacji USB

Organizacja HDMI Forum odpowiada za zapewnienie możliwości pracy USB-C w trybie alternatywnym. Ostatnia wersja standardów USB, wydana pod koniec roku 2016, składa się z trzech części:

Specyfikacja złącza USB-C

Specyfikacja złącza USB-C przyniosła istotne zmiany w stosunku do wcześniejszych wersji USB-A oraz USB-B. Dwie cechy są widoczne na pierwszy rzut oka:

• Złącze USB typu C jest znacznie mniejsze (8,2 x 2,5 mm) w porównaniu do złączy typu A i B, jednak zawiera 24 piny, w odróżnieniu od zaledwie 4 w poprzednich wersjach.

• Złącze typu C jest odwracalne i działa tak samo w dowolnej orientacji. Aby to uzyskać, został zastosowany symetryczny układ wyprowadzeń. Niezależnie od tego, który rząd pinów znajduje się na górze, wszystkie sygnały pozostają w tym samym względnym ułożeniu.

Specyfikacja USB-C zapewnia możliwość komunikacji ze starszymi systemami USB 2.0 przy pomocy pinów D+/D-, VBUS i GND. Układ wyprowadzeń zawiera również piny dla nowych funkcji (w tym trybu alternatywnego), które zostały opisane w pozostałych dwóch specyfikacjach. Rys. 1. przedstawia standardowe mapowanie trybu AM złącza USB-C.

Rys. 1. Układ pinów złącza USB typu C z uwzględnieniem mapowania trybu alternatywnego (źródło: Texas Instruments)

Specyfikacja USB 3.1

Specyfikacja USB 3.1 poprawia parametry elektryczne USB i zwiększa szybkość transferu do 10 Gb/s (tzw. SuperSpeed+). To wymaga stosowania dwóch różnicowych par TX oraz RX dedykowanych do transmisji danych z dużą szybkością. Ponadto specyfikacja zwiększa możliwości dostarczania napięcia ze 150 mV do 5 V.

Specyfikacja USB Power Delivery

Specyfikacja USB Power Delivery (USB PD) definiuje alternatywny tryb pracy, a także zwiększa maksymalną transmitowaną moc do 100 W. Jednocześnie znacząco zwiększa zakres opcji zasilania dostępnych dla projektanta. Używając aktywnego kabla USB-C można za pomocą USB PD uzyskać dwukierunkowy przepływ mocy między dwoma urządzeniami – może on nawet zostać odwrócony w czasie rzeczywistym dzięki kanałowi konfiguracyjnemu typu C (CC) korzystającemu z dedykowanych pinów.

Choć wszystkie te trzy specyfikacje są oddzielne, każdy system USB obsługujący HDMI musi spełniać zarówno specyfikację typu C, jak i USB PD. Ponadto każdy zmapowany pin musi obsługiwać przepustowość odpowiedniej funkcji standardu HDMI 1.4.

Przepustowości HDMI 1.4

HDMI 1.4 oferuje 6 kanałów pracujących z czterema różnymi szybkościami:

• HDMI Ethernet and Audio Return Channel (HEAC): Szybka dwukierunkowa transmisja danych obsługująca standard Ethernet 100Base-TX (100 Mb/s). HEAC zawiera również komponent odpowiedzialny za strumieniowanie audio zgodnie z normą IEC 60958-1.

• TMDS (Transition Minimized Differentail Signaling): Trzy kanały różnicowe do transmisji danych i wideo z dużą szybkością. HDMI 1.4 zapewnia maksymalną przepustowość 10,2 Gb/s – po 3,4 Gb/s na kanał.

• DDC (Display Data Channel): Kanał komunikacyjny oparty na przemysłowym standardzie I2C, pracujący z szybkością 100 kb/s. Służy on do identyfikacji obsługiwanych formatów audio i wideo przez źródło sygnału.

• CEC (Consumer Electronics Control): Kanał niskiej szybkości, który pozwala użytkownikowi na kontrolę do 15 kompatybilnych urządzeń. Kanał ten jest zgodny ze standardem CENELEC EN 50157-1.

Mapowanie pinów HDMI

Standardowe złącze HDMI typu A zostało przedstawione na rys 2. Natomiast rys. 3. przedstawia przypisanie pinów złącz USB-C w trybie alternatywnym HDMI. W tej implementacji trzy pary TMDS i ich sygnał zegara zostały zmapowane na osiem pinów USB TX/RX. Z kolei dwa piny SBU obsługują kanał HEAC, a pin CC przesyła sygnał CEC o niskiej szybkości. Warto zauważyć, że rola pary pinów D+/D- nie została zmieniona, zatem kanał danych USB 2.0 nadal może funkcjonować równolegle z HDMI.

Rys. 2. Złącze HDMI typu A ma 19 pinów. Zawiera trzy kanały komunikacji wysokiej szybkości w postaci ekranowanych skręconych par. (źródło: HowStuffWorks.com)

Rys. 3. Mapowanie pinów USB-C na HDMI w trybie alternatywnym (źródło: HDMI.org)

Inicjalizacja trybu alternatywnego HDMI

Specyfikacja USB PD określa sekwencję zdarzeń, które uruchamiają tryb alternatywny. Gdy użytkownik podłączy aktywny kabel typu C do dwóch urządzeń obsługujących standard USB PD, następuje seria negocjacji (rys. 4) na linii CC. Negocjacje prowadzą do ustalenia, czy ma zostać wykorzystany tryb USB, czy tryb alternatywny i z którego standardu AM skorzystać. Określony zestaw komunikatów zależnych od dostawcy (vendor-specific message, VDM) identyfikuje standard, który zostanie wykorzystany.

Rys. 4. Gdy port z możliwością obsługi USB PD po raz pierwszy wykryje obecność innego portu USB PD, rozpoczynają się negocjacje, które określą protokół transmisji mocy i format danych, które będą stosowane

Sekwencja negocjacji obsługuje również inne funkcje USB PD, takie jak określenie wymaganego poziomu mocy i kierunku jej przepływu – choć nie są one potrzebne do transmisji HDMI. Gdy sekwencja negocjacji doprowadzi do wyboru protokołu HDMI, oba porty zmieniają mapowanie swych pinów zgodnie z wymaganiami trybu alternatywnego HDMI i rozpoczyna się normalna transmisja.