Todo sobre USB

Jul 20, 2023

Una cosa sorprendente del USB-C son sus capacidades de alta velocidad. El pinout le proporciona cuatro pares diferenciales de alta velocidad y algunos pares más de menor velocidad, que le permiten bombear cantidades gigantescas de datos a través de un conector más pequeño que una moneda de un centavo. No todos los dispositivos aprovechan esta capacidad y no es necesario que lo hagan: USB-C está diseñado para ser accesible desde todos los dispositivos portátiles bajo el sol. Sin embargo, cuando tienes un dispositivo con necesidades de alta velocidad expuestas a través de USB-C, es glorioso lo mucho que USB-C puede brindarte y lo bien que puede funcionar.

La capacidad de obtener una interfaz de alta velocidad a partir de USB-C se denomina modo alternativo, "altmode" para abreviar. Los tres modos alternativos que puedes encontrar hoy en día son USB3, DisplayPort y Thunderbolt, hay algunos que se han desvanecido en la oscuridad como HDMI y VirtualLink, y algunos están en auge como USB4. La mayoría de los modos alternativos requieren comunicación digital USB-C, utilizando cierto tipo de mensajes a través del canal PD. Dicho esto, no todos lo hacen: el USB3 es el más simple. Repasemos lo que hace funcionar un modo alternativo.

Si has visto la distribución de pines, has visto los pines de alta velocidad. Hoy me gustaría mostrarles qué interfaces pueden obtenerse de esos pines hoy en día. Esta no es una lista completa o extensa; por ejemplo, no hablaré de cosas como USB4, en parte porque no lo entiendo lo suficientemente bien ni tengo experiencia con él; eso, y es seguro que tendremos más dispositivos de alta velocidad equipados con USB-C en el futuro. Además, USB-C es lo suficientemente flexible como para que un pirata informático pueda exponer Ethernet o SATA a través de él de una manera compatible con USB-C, y si eso es lo que está buscando, tal vez esta descripción general sea lo que le ayude a descubrirlo.

USB3 es muy, muy simple: tiene un par TX y un RX, y aunque las velocidades de transmisión son mucho más altas que las de USB2, son manejables para un hacker. Si utiliza una PCB multicapa con control de impedancia para señales USB3 y trata sus pares diferenciales con respeto, su conexión USB3 generalmente funcionará.

Con USB3 sobre USB-C, no hay muchos cambios: tendrás un mux para manejar la rotación, pero eso es todo. Los muxes USB3 son abundantes, por lo que casi nunca tendrás problemas si alguna vez agregas USB-C con capacidad USB3 a tu placa. También existe el USB3 de doble enlace, que utiliza dos enlaces USB3 en paralelo para aumentar el rendimiento, pero los piratas informáticos generalmente no encontrarán ni necesitarán este, y este territorio tiende a estar mejor cubierto por Thunderbolt. ¿Quiere convertir un dispositivo USB3 a USB-C? Todo lo que realmente necesitas es un mux. Si estaba pensando en colocar un conector MicroUSB 3.0 en su placa para un dispositivo suyo de alta velocidad, le pido cortés pero firmemente que lo reconsidere y coloque allí una toma USB-C y un VL160.

Si está diseñando un dispositivo USB3 equipado con un enchufe, ni siquiera necesita un mux para el manejo de la rotación; de hecho, no necesita ninguna detección de rotación. Una sola resistencia de 5,1 kΩ no supervisada será suficiente para construir una unidad flash USB3 que se conecte directamente a un puerto USB-C, o para hacer un adaptador USB-C macho a USB-A 3.0 hembra. En lo que respecta al zócalo, puedes evitar el uso de un mux si tienes una conexión USB3 de repuesto que sacrificar, aunque, por supuesto, no es un gran intercambio. No conozco lo suficiente el USB3 de doble enlace como para decir si dicha conexión es compatible con USB3 de doble enlace, pero veo que “no” es una respuesta más probable que “sí”.

DisplayPort (DP) es una interfaz maravillosa para conectar pantallas de alta resolución: ha superado a HDMI en el espacio de escritorio, dominando el espacio de pantalla integrada en su forma eDP y proporciona altas resoluciones a través de un solo cable, a menudo mejor que HDMI. Se puede convertir a DVI o HDMI con un adaptador económico que utiliza un estándar llamado DP++, y no genera tantas regalías como HDMI. Tiene sentido que el consorcio VESA haya trabajado con el grupo USB para implementar la compatibilidad con DisplayPort, especialmente teniendo en cuenta que los transmisores DisplayPort en SoC se han vuelto cada vez más populares.

Si está utilizando una base con salida HDMI o VGA, está usando el modo alternativo DisplayPort debajo del capó. Cada vez más, los monitores vienen con DisplayPort a través de entradas USB-C y, gracias a una función llamada MST, puedes encadenar monitores, brindándote una configuración de múltiples monitores con un solo cable, a menos que estés usando una Macbook, como Apple se niega. para admitir MST en MacOS.

Además, un dato curioso: el modo alternativo DP es uno de los únicos modos alternativos que utiliza pines SBU, que se reutilizan para el par DisplayPort AUX. La falta general de pines USB-C también significó que se tuvieron que omitir los pines de configuración DP, excluyendo el modo de compatibilidad DP++ HDMI/DVI y, como resultado, todos los adaptadores USB-C DP a HDMI son en realidad convertidores DP-HDMI activos en disfrazar, a diferencia de DP++, que le permite usar cambiadores de nivel para compatibilidad con HDMI.

Si desea jugar con DisplayPort, es posible que necesite un mux compatible con DP, pero lo más importante es que deberá poder enviar mensajes PD personalizados. En primer lugar, toda la parte de “ofrecer/solicitar modo alternativo DP” se realiza mediante PD; las resistencias no son suficientes. Además, no había un pin libre para HPD, una señal crucial en DisplayPort, y como tal, los eventos de conexión en caliente y las interrupciones se envían como mensajes a través del canal PD. Dicho esto, no es muy difícil de implementar y estoy pensando en hacer una implementación amigable para los piratas informáticos; hasta entonces, si necesita DP o HDMI desde un puerto USB-C con modo alternativo DP, hay algunos chips, como el CYPD3120, que te permite escribir un firmware para hacer eso.

Una gran cosa que hace que el modo alternativo DP se destaque: con cuatro carriles de alta velocidad en USB-C, este modo alternativo permite combinar una conexión USB3 en un lado del puerto USB-C y una conexión DisplayPort de dos carriles en el otro. Así funcionan todos los docks de “puertos USB3, periféricos y salida HDMI”. Si la resolución de doble carril es limitante para usted, también puede obtener un adaptador de cuatro carriles: no habrá transferencia de datos debido a la falta de USB3, pero podrá obtener resoluciones o velocidades de fotogramas más altas a través de dos carriles DisplayPort adicionales.

Mi opinión: el modo alternativo DisplayPort es sin duda una de las mejores cosas de USB-C, y aunque las computadoras portátiles y teléfonos más baratos (o más mal diseñados) no lo admiten, es un placer tener un dispositivo que sí lo admite. Por supuesto, a veces una gran empresa directamente le quita la alegría, como lo hizo Google.

Google lo deshabilitó explícitamente en el kernel durante el desarrollo. https://t.co/4QyMitc0Hq

Ninguna razón dada.

Los chips Qualcomm desde el 835 admiten de forma nativa el modo alternativo DisplayPort.https://t.co/Bv94GsqLFL

Ni siquiera hay que pagar una tarifa de licencia.

- Mishaal Rahman (@MishaalRahman) 31 de octubre de 2019

En ese sentido, hablemos del modo alternativo más complejo de todos.

Específicamente en USB-C, puede obtener Thunderbolt 3; pronto, también Thunderbolt 4, pero eso es ficción por ahora. Thunderbolt 3 es una especificación inicialmente propietaria que finalmente fue de código abierto por parte de Intel. Evidentemente, no lo abrieron lo suficiente o hay una advertencia diferente, ya que los dispositivos Thunderbolt 3 todavía se construyen utilizando exclusivamente chips Intel, y supongo que la falta de competencia es lo que hace que los precios se tripliquen firmemente. territorio de dígitos. ¿Por qué buscarías dispositivos Thunderbolt en primer lugar? Aparte de velocidades más altas, hay una característica excelente.

Puede obtener transferencia PCIe a través de Thunderbolt, ¡también con un enlace de hasta 4x de ancho! Este ha sido un tema candente entre las personas que desean compatibilidad con eGPU o almacenamiento externo rápido en forma de unidades NVMe, y algunos piratas informáticos lo utilizan para FPGA conectadas por PCIe. Si tiene dos computadoras (por ejemplo, dos computadoras portátiles) que admiten Thunderbolt, también puede vincularlas mediante un cable compatible con Thunderbolt; esto crea una interfaz de red de alta velocidad entre las dos, sin necesidad de componentes adicionales. Ah, y por supuesto, Thunderbolt puede fácilmente tunelizar DisplayPort y USB3 dentro de sí mismo. La tecnología entre Thunderbolt es extremadamente poderosa y atractiva para los usuarios avanzados.

Dicho esto, toda esta genialidad tiene el costo de una pila tecnológica compleja y patentada. Thunderbolt no es algo que un hacker solitario pueda desarrollar fácilmente; sin embargo, alguien debería probarlo algún día. Y, aunque las bases Thunderbolt tienen una maravillosa cantidad de características, el lado del software a menudo es impredecible, especialmente cuando se trata de cosas como intentar hacer que el modo de suspensión en su computadora portátil funcione sin que su eGPU bloquee su núcleo. Si eso no ha sido evidente hasta ahora, estoy esperando ansiosamente que Intel lo solucione.

Sigo diciendo “muxes”. ¿Que son esos? En resumen, esa es la parte que ayuda a manejar el intercambio de señales de alta velocidad según la rotación del USB-C.

Los carriles de alta velocidad son la parte del USB-C más afectada por la rotación de puertos. Si su puerto USB-C utiliza carriles de alta velocidad, necesitará un IC mux (multiplexor) que administre dos posibles rotaciones de USB-C, haciendo coincidir las orientaciones de los puertos en ambos extremos y el cable con los receptores y transmisores de alta velocidad reales en el interior. dispositivos que se están conectando. A veces, estos muxes son internos a un chip de alta velocidad si se desarrolló con USB-C en mente, pero muchas veces son un chip separado. ¿Quiere agregar compatibilidad con USB-C de alta velocidad a un dispositivo que aún no la tiene? Un mux será un elemento central para que sus comunicaciones de alta velocidad funcionen.

Si su dispositivo tiene una toma USB-C con carriles de alta velocidad, necesita un mux; los dispositivos equipados con cable cautivo y enchufe no lo necesitan. Como regla general, si usa un cable para conectar dos dispositivos de alta velocidad con tomas USB-C, ambos necesitan muxes: administrar la rotación del cable es responsabilidad de cada dispositivo. En ambos lados, el mux (o un controlador PD con un mux conectado) monitoreará la orientación del pin CC y actuará en consecuencia. También hay bastantes de estos muxes para diferentes propósitos, dependiendo de lo que desee obtener de un puerto.

Verá muxes diseñados para USB3 en computadoras portátiles económicas que solo implementan USB 3.0 en el puerto Tipo-C, y si es compatible con DisplayPort, tendrá un mux que tiene entradas adicionales para mezclar esas señales. En computadoras portátiles con puertos más sofisticados que implementan Thunderbolt, el mux se integrará en el chip Thunderbolt. Para los piratas informáticos que desarrollan con USB-C que no pueden alcanzar Thunderbolt o no lo necesitan, TI y VLI ofrecen bastantes buenos muxes para todos los propósitos. Por ejemplo, recientemente estuve jugando con DisplayPort a través de USB-C, y el VL170 (aparentemente un clon 1:1 de TI HD3SS460) parece un chip maravilloso para el propósito combinado de DisplayPort + USB3.

Los mux USB-C compatibles con DisplayPort, como el HD3SS460, no gestionan los pines CC ni detectan la rotación por sí mismos, pero esa es una limitación razonable: es necesario realizar comunicaciones PD bastante específicas de la aplicación para DisplayPort, lo que rápidamente supera lo que un mux puede hacer. tú. ¿Está satisfecho con USB3, donde no se requieren comunicaciones PD? VL161 es un chip simple para muxing USB3 que tiene una entrada de polaridad, esperando que usted mismo realice la detección de polaridad.

Si tampoco desea realizar la detección de polaridad, ¿es la PD analógica de solo 5 V suficiente para sus necesidades de USB3? Utilice algo como el VL160: absorberá y generará PD analógica, manejará potencia y rotará carriles de alta velocidad, todo en uno. Este es el verdadero IC “Quiero USB3 en USB-C y quiero que todo esté administrado por mí”; por ejemplo, el VL160 es lo que utiliza la reciente tarjeta de captura HDMI de código abierto para su puerto USB-C. Sin embargo, para ser justos, no tengo que destacar el VL160: hay docenas de estos circuitos integrados; “USB3 mux para USB-C que lo hace todo” es probablemente el tipo de CI relacionado con USB-C más popular que existe.

Hay algunos modos alternativos USB-C abandonados. El primero por el que no derramaré una lágrima es el modo alternativo HDMI; y simplemente coloca las clavijas del conector HDMI en las clavijas del conector USB-C. Le brindaría HDMI a través de USB-C y parece haber sido usado en teléfonos inteligentes durante un breve período de tiempo. Sin embargo, tener que competir con el modo alternativo DisplayPort fácilmente convertible a HDMI, mientras que la conversión HDMI-DP suele ser costosa, la imposibilidad de combinarse con USB 3.0 ya que HDMI requiere cuatro pares diferenciales, y el equipaje de licencia HDMI parece haber impulsado el HDMI. modo alt en el suelo. Creo sinceramente que debería permanecer ahí, ya que no creo que nuestro mundo pueda mejorarse agregando más HDMI.

El otro, sin embargo, es realmente interesante: se llama VirtualLink. Un grupo de grandes empresas de tecnología ha estado investigando las capacidades de USB-C para realidad virtual; después de todo, es maravilloso cuando su visor de realidad virtual solo necesita un cable para todo. Sin embargo, las gafas de realidad virtual necesitan una interfaz de vídeo con capacidad de pantalla dual de alta resolución y alta velocidad de fotogramas y una conexión de datos de alta velocidad para cámaras y sensores auxiliares, y la combinación habitual "DisplayPort+USB3 de doble carril" no podría proporcionar tales capacidades. En el momento. ¿Que haces entonces?

Es simple, dijo el grupo VirtualLink, se deshace de los dos pares USB2 duplicados en el conector USB-C y se usan los cuatro pines para una conexión USB3. ¿Recuerda el chip convertidor de USB2 a USB3 que mencioné en un breve artículo hace medio año? Sí, su propósito original era VirtualLink. Este tipo de disposición, por supuesto, requiere un cable personalizado más caro con dos pares blindados adicionales, y también requería que las PC proporcionaran hasta 27 W de potencia, por lo tanto, una salida de 9 voltios, una rareza en los puertos USB-C que no lo son. cargadores de enchufe de pared o powerbanks. La desviación del USB2 respecto del USB3 ha molestado a algunos; sin embargo, para la realidad virtual, VirtualLink parecía muy útil.

Algunas GPU se enviaron con soporte VirtualLink, pero, en última instancia, no lo suficiente, y las computadoras portátiles, conocidas por sus puertos USB-C a menudo carentes, no se molestaron. Esto provocó que un actor clave en el acuerdo, Valve, renunciara a agregar la integración de VirtualLink con Valve Index, y a partir de ahí todo fue cuesta abajo. Lamentablemente, VirtualLink nunca despegó. Habría sido un modo alternativo divertido: el cable único habría sido increíble para los usuarios de realidad virtual, y el requisito de mayor voltaje disponible a través de USB-C también nos habría brindado puertos superiores a 5 V con capacidad PD. – que hoy en día no ofrecen ningún ordenador portátil y casi ningún PC. Sí, solo un recordatorio: si tiene un puerto USB-C en su computadora de escritorio o portátil, le dará 5 V, claro, pero no obtendrá un voltaje más alto.

Sin embargo, miremos el lado positivo. Si tiene una de esas GPU que vienen con un puerto USB-C, ¡tendrá compatibilidad con USB3 y DisplayPort!

Lo mejor de USB-C: un proveedor o un hacker podrían definir absolutamente sus propios modos alternativos si quisieran, aunque el adaptador sería semi-propietario, seguiría siendo un puerto USB-C en el fondo, funcionando para carga y datos. transferir. ¿Quiere un modo alternativo Ethernet o un SATA de doble puerto? Hazlo. Atrás quedaron los días en los que había que buscar conectores muy oscuros para los dispositivos, en los que cada conector de acoplamiento y carga era diferente y podía costar hasta 10 dólares cada uno si era lo suficientemente raro, si hubiera sido posible encontrarlo.

No todos los puertos USB-C tienen que implementar todas y cada una de estas capacidades; muchos no lo hacen. Sin embargo, muchos de ellos lo hacen y cada día sacamos más provecho de un puerto USB-C promedio. Esta unificación y estandarización darán sus frutos a largo plazo, y aunque de vez en cuando se producirán desviaciones, los fabricantes aprenderán a ser más inteligentes al respecto.