一文解析USB-C上的数据信号
在跳进现实案例之前，让我们快速回顾一下电阻设置以及dfp设备（主机）在连接不同电阻时检测cc引脚时可能检测到的状态：
简单的电源输送
usb-c configuration channel
cc1 cc2 state cable orientation
open open nothing attached n/a
rp rp another dfp / no action n/a
rd open sink attached normal
open rd inverted
open ra powered cable without sink attached normal
ra open inverted
rd ra powered cable with sink, vpa* or vpd** normal
ra rd inverted
rd rd debug accessory mode attached n/a
ra ra audio adapter accessory mode attached n/a
*vpa - vconn-powered accessory
**vpd - vconn-powered usb device
电源输送 - 输出示例
现在，您可以查看一个真实的工作案例 ，一个双重角色的 usb-c 端口，可以为连接设备提供电源。
simple usb-c dual role port
本节摘自verdin开发板，使用了tusb321芯片来处理配置通道和vbus中的功率切换芯片。cc连接的芯片检测线缆的方向和电源输入设备的存在（请参见上面的表格）。然后，它将检测到的状态告知给verdin模块，该模块控制功率切换芯片。根据引脚状态，tusb321可以宣布不同的最大输出电流级别（0.5 / 0.9a，1.5a和3a）。功率切换芯片（ic4）的电流限制需要相应调整。
the block diagram for the tusb321
在 tusb321 中，您可以看到 cc 引脚切换到下拉电阻，并且可配置上拉电阻。这种方式使您的设备可以用于 ufp、dfp 和 drp 配置 ，由 port 引脚控制 ，并可配置以宣布其电源传递能力 ，这由 current_mode 引脚控制。由于 tusb321 仅使用上拉电阻来宣布端口的电源能力，因此它只能宣布最大为5v和3a（15w）的电源。对于更高的电压，需要使用高级电源传递配置芯片。
电源输送 - 输入示例
您还会发现查看电源汇输入设备示例很有帮助。
usb-c power sink
本节内容适用于我们的 dahlia 载板，该板具有一个能够进行总线通信的芯片（ic23）。因此，这种解决方案可以协商获得具有高于5v和大于3a的电流的功率配置。连接到cc引脚的芯片具有内置的eprom，其中包含三个配置。这些信息通过cc总线进行通信，并由可用匹配配置的电源输出设备使用。当两个设备都同意一个相互可用的配置时，vbus被切换，设备可以从总线上开始消耗电力。
原理图还提供了一个选配的充电器检测器芯片（ic22）。通过检查d+和d-数据信号是否短路在一起，ic22可以检测到传统充电器。如果usb电源输送协商成功（ic23）或接入usb type-a充电器（ic22），则启用总线电源（ic20），并且载板可以开始启动模块。如果未检测到充电器或usb-c电源输送端口，则系统将不会启动，因为不被允许从端口吸取超过5v / 100ma的电流。
数据信号
usb-c 接口相比以前的接口，具有更多的数据信号引脚，这一点值得注意。
作为回顾，让我们来看看 usb-c 可用的数据信号引脚：
两条 super-speed 信号通道——tx 和 rx 对。
对称的 d+ 和 d- 信号对（只在设备端冗余）。
两个 sideband use（sbu）引脚，用于其他模式下的特殊功能。
usb 2.0 mode
usb 2.0的d+/d-引脚在插座上是对称的，这意味着不需要识别插入的电缆的方向，也不需要多路复用器来切换信号。
usb 3.x super-speed mode
为了充分利用usb-c的 super-speed 信号功能，必须使用多路复用器以及使用cc引脚进行正确的电缆方向检测，如第一篇博客所解释的那样，以便多路复用器能够得到正确的控制。这是在使用双路或单路配置时确保使用正确的通道所必需的。
现实情况中的案例
让我们看看实际的案例，以了解它们是如何联系在一起的；
high-speed ufp
使用usb-c的最简单的配置是作为上行面向的高速端口设备。
usb-c client
使用cc引脚的下拉电阻和d+ / d-引脚，所示电路是micro type-b连接器的简单替代品，完全符合usb-c标准。它可以用于鼠标和闪存驱动器等设备。
high-speed drd
可以使用下图所示的配置替换otg，该配置来自我们的verdin开发板，在分析usb-c电源输出源时曾在本博客文章中出现过。
high-speed drd
cc引脚和已经解释过的检测过程用于定义设备的角色，即作为dfp或ufp，以及 d+和d-引脚被用作 data signals 和之前示例相同。
在这里使用没有 super-speed 引脚的连接器是一个好的做法，否则会可以大大增加引脚密度，增加pcb布线的工作量。
super-speed drd
在我们的 apalis 载板参考设计中，您可以看到usb-c的更高级用途。
usb-c super-speed
当向您的usb-c应用添加 super-speed 功能时，如前所述，所需的多路复用器用于将 super-speed 信号连接到电缆的正确一侧，这可以简单地由同一个 tusb321芯片控制。
在这个设计中，使用了一个技巧来简化布线过程：cc引脚被反转，因此用于控制多路复用器的信号也被反转，简化了多路复用器周围的布线。
笔记本电脑示例
现在，让我们来看一个来自笔记本电脑应用的完整功能示例。
laptop usb-c implementation
source: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/ptn5100.pdf
在这个设置中，笔记本可以充电或为ufp设备提供电源，包括通过专用ic（ptn5100）进行电源协商和可同时使用的显示端口功能。请注意矩阵切换器ic，它可以连接来自cpu图形部分的视频信号和南桥的 super-speed 信号。
让我们更仔细地看一下使用usb-c和显示端口配置的可能性。您可以在下面的图像中看到其中一些选项：
b
display port configurations
重申一下，displayport最多可以使用4个通道，但也可以使用1个或2个通道。每个用于 super-speed 信号的双向通道（tx/rx对）可以容纳2个displayport通道，因为它的通道是单向的。因此，如果您只使用2个displayport通道，则可以在剩余的双向通道中与 super-speed 信号结合使用。这也意味着在displayport中使用高分辨率（使用4个通道）时，您只能使用 d+和d-引脚的 usb 2.0。
陷阱
让我们看看一些错误，这些错误可以通过严格遵循标准来避免。
rasp pi 4 usb-c circuit
source: https://datasheets.raspberrypi.com/rpi4/raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf
在树莓派4的第一个版本中，cc引脚共用了同一个rd电阻，这导致它们被短接在一起。当使用被动线缆（无标记芯片）连接时，dfp设备只能在一个cc引脚上检测到rd，因为只有cc1 在线缆中被连接，这导致ufp设备可以正常工作。对照表格进行查看：
cc1 cc2 state cable orientation
rd open sink attached normal
open rd inverted
然而，让我们看看当它连接到一个在 cc2 两端都有ra电阻的主动usb-c线缆时会发生什么：
resultant configuration with marker cable
在dfp设备端，cc2引脚检测到ra电阻，cc1引脚检测到并联于电缆另一端的ra电阻，由于raspberry pi板上的cc1和cc2引脚短接而引入的rd电阻。这种并联配置导致形成了836欧姆的电阻，其在ra电阻的允许值范围内。如果你仔细检查一下表格，你会发现这导致了检测到音频适配器的状态，使板子无法获得电源。
cc1 cc2 state cable orientation
ra ra audio adapter accessory mode attached n/a
通过介绍基本的usb-c概念，你现在了解了它所带来的可能性、限制以及使用其资源的基本设置。
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简单的电源输送
usb-c configuration channel
cc1 cc2 state cable orientation
open open nothing attached n/a
rp rp another dfp / no action n/a
rd open sink attached normal
open rd inverted
open ra powered cable without sink attached normal
ra open inverted
rd ra powered cable with sink, vpa* or vpd** normal
ra rd inverted
rd rd debug accessory mode attached n/a
ra ra audio adapter accessory mode attached n/a
*vpa - vconn-powered accessory
**vpd - vconn-powered usb device
电源输送 - 输出示例
现在，您可以查看一个真实的工作案例 ，一个双重角色的 usb-c 端口，可以为连接设备提供电源。
simple usb-c dual role port
本节摘自verdin开发板，使用了tusb321芯片来处理配置通道和vbus中的功率切换芯片。cc连接的芯片检测线缆的方向和电源输入设备的存在（请参见上面的表格）。然后，它将检测到的状态告知给verdin模块，该模块控制功率切换芯片。根据引脚状态，tusb321可以宣布不同的最大输出电流级别（0.5 / 0.9a，1.5a和3a）。功率切换芯片（ic4）的电流限制需要相应调整。
the block diagram for the tusb321
在 tusb321 中，您可以看到 cc 引脚切换到下拉电阻，并且可配置上拉电阻。这种方式使您的设备可以用于 ufp、dfp 和 drp 配置 ，由 port 引脚控制 ，并可配置以宣布其电源传递能力 ，这由 current_mode 引脚控制。由于 tusb321 仅使用上拉电阻来宣布端口的电源能力，因此它只能宣布最大为5v和3a（15w）的电源。对于更高的电压，需要使用高级电源传递配置芯片。
电源输送 - 输入示例
您还会发现查看电源汇输入设备示例很有帮助。
usb-c power sink
本节内容适用于我们的 dahlia 载板，该板具有一个能够进行总线通信的芯片（ic23）。因此，这种解决方案可以协商获得具有高于5v和大于3a的电流的功率配置。连接到cc引脚的芯片具有内置的eprom，其中包含三个配置。这些信息通过cc总线进行通信，并由可用匹配配置的电源输出设备使用。当两个设备都同意一个相互可用的配置时，vbus被切换，设备可以从总线上开始消耗电力。
原理图还提供了一个选配的充电器检测器芯片（ic22）。通过检查d+和d-数据信号是否短路在一起，ic22可以检测到传统充电器。如果usb电源输送协商成功（ic23）或接入usb type-a充电器（ic22），则启用总线电源（ic20），并且载板可以开始启动模块。如果未检测到充电器或usb-c电源输送端口，则系统将不会启动，因为不被允许从端口吸取超过5v / 100ma的电流。
数据信号
usb-c 接口相比以前的接口，具有更多的数据信号引脚，这一点值得注意。
作为回顾，让我们来看看 usb-c 可用的数据信号引脚：
两条 super-speed 信号通道——tx 和 rx 对。
对称的 d+ 和 d- 信号对（只在设备端冗余）。
两个 sideband use（sbu）引脚，用于其他模式下的特殊功能。
usb 2.0 mode
usb 2.0的d+/d-引脚在插座上是对称的，这意味着不需要识别插入的电缆的方向，也不需要多路复用器来切换信号。
usb 3.x super-speed mode
为了充分利用usb-c的 super-speed 信号功能，必须使用多路复用器以及使用cc引脚进行正确的电缆方向检测，如第一篇博客所解释的那样，以便多路复用器能够得到正确的控制。这是在使用双路或单路配置时确保使用正确的通道所必需的。
现实情况中的案例
让我们看看实际的案例，以了解它们是如何联系在一起的；
high-speed ufp
使用usb-c的最简单的配置是作为上行面向的高速端口设备。
usb-c client
使用cc引脚的下拉电阻和d+ / d-引脚，所示电路是micro type-b连接器的简单替代品，完全符合usb-c标准。它可以用于鼠标和闪存驱动器等设备。
high-speed drd
可以使用下图所示的配置替换otg，该配置来自我们的verdin开发板，在分析usb-c电源输出源时曾在本博客文章中出现过。
high-speed drd
cc引脚和已经解释过的检测过程用于定义设备的角色，即作为dfp或ufp，以及 d+和d-引脚被用作 data signals 和之前示例相同。
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super-speed drd
在我们的 apalis 载板参考设计中，您可以看到usb-c的更高级用途。
usb-c super-speed
当向您的usb-c应用添加 super-speed 功能时，如前所述，所需的多路复用器用于将 super-speed 信号连接到电缆的正确一侧，这可以简单地由同一个 tusb321芯片控制。
在这个设计中，使用了一个技巧来简化布线过程：cc引脚被反转，因此用于控制多路复用器的信号也被反转，简化了多路复用器周围的布线。
笔记本电脑示例
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laptop usb-c implementation
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让我们更仔细地看一下使用usb-c和显示端口配置的可能性。您可以在下面的图像中看到其中一些选项：
b
display port configurations
重申一下，displayport最多可以使用4个通道，但也可以使用1个或2个通道。每个用于 super-speed 信号的双向通道（tx/rx对）可以容纳2个displayport通道，因为它的通道是单向的。因此，如果您只使用2个displayport通道，则可以在剩余的双向通道中与 super-speed 信号结合使用。这也意味着在displayport中使用高分辨率（使用4个通道）时，您只能使用 d+和d-引脚的 usb 2.0。
陷阱
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rasp pi 4 usb-c circuit
source: https://datasheets.raspberrypi.com/rpi4/raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf
在树莓派4的第一个版本中，cc引脚共用了同一个rd电阻，这导致它们被短接在一起。当使用被动线缆（无标记芯片）连接时，dfp设备只能在一个cc引脚上检测到rd，因为只有cc1 在线缆中被连接，这导致ufp设备可以正常工作。对照表格进行查看：
cc1 cc2 state cable orientation
rd open sink attached normal
open rd inverted
然而，让我们看看当它连接到一个在 cc2 两端都有ra电阻的主动usb-c线缆时会发生什么：
resultant configuration with marker cable
在dfp设备端，cc2引脚检测到ra电阻，cc1引脚检测到并联于电缆另一端的ra电阻，由于raspberry pi板上的cc1和cc2引脚短接而引入的rd电阻。这种并联配置导致形成了836欧姆的电阻，其在ra电阻的允许值范围内。如果你仔细检查一下表格，你会发现这导致了检测到音频适配器的状态，使板子无法获得电源。
cc1 cc2 state cable orientation
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