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Jul 10, 2023

Todo sobre USB

Una cosa sorprendente de USB-C es su capacidad de alta velocidad. El pinout da

Una cosa sorprendente de USB-C es su capacidad de alta velocidad. El pinout le brinda cuatro pares diferenciales de alta velocidad y algunos pares más de menor velocidad, lo que le permite bombear cantidades gigantes de datos a través de un conector más pequeño que una moneda de un centavo. No todos los dispositivos aprovechan esta capacidad, y no están obligados a hacerlo: USB-C está diseñado para ser accesible para todos los dispositivos portátiles bajo el sol. Sin embargo, cuando tiene un dispositivo con necesidades de alta velocidad expuestas a través de USB-C, es glorioso cuánto puede brindarle USB-C y qué tan bien puede funcionar.

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

Si ha visto el pinout, ha visto los pines de alta velocidad. Hoy, me gustaría mostrarles qué interfaces pueden obtener 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 obtendremos más dispositivos de alta velocidad equipados con USB-C en el futuro. Además, USB-C es lo suficientemente flexible como para que un hacker pueda exponer Ethernet o SATA de manera compatible con USB-C, y si eso es lo que está buscando, tal vez esta descripción general sea lo que lo ayude a resolverlo.

USB3 es muy, muy simple: tiene un par TX y un par RX, y aunque las velocidades de transmisión son mucho más altas que 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: tendrá un mux para manejar la rotación, pero eso es todo. Los multiplexores USB3 son abundantes, por lo que casi nunca tendrá problemas si alguna vez agrega USB-C compatible con USB3 en su placa. También hay USB3 de doble enlace, que usa dos enlaces USB3 en paralelo para aumentar el rendimiento, pero los piratas informáticos generalmente no encontrarán ni necesitarán este, y Thunderbolt tiende a cubrir mejor este territorio. ¿Quiere convertir un dispositivo USB3 a USB-C? Todo lo que realmente necesitas es un mux. Si estabas pensando en poner un conector MicroUSB 3.0 en tu placa para un dispositivo tuyo de alta velocidad, te pido cortés pero firmemente que reconsideres y coloques un conector USB-C y un VL160 en su lugar.

Si está diseñando un dispositivo USB3 equipado con enchufe, ni siquiera necesita un mux para el manejo de la rotación; de hecho, no necesita ninguna detección de rotación. Una única 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 el lado del zócalo, puede evitar el uso de un mux si tiene una conexión USB3 de repuesto para sacrificar, aunque, por supuesto, no es un intercambio maravilloso. No estoy al tanto de USB3 de doble enlace lo suficiente como para decir si dicha conexión es compatible con USB3 de doble enlace, ¡pero veo "no" como 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 visualización integrado en su forma eDP y proporciona altas resoluciones a través de un solo cable, a menudo mejor que HDMI. Es convertible a DVI o HDMI con un adaptador económico que usa un estándar llamado DP++, y no está tan gravado por regalías como lo está HDMI. Tiene sentido que el consorcio VESA haya trabajado con el grupo USB para implementar la compatibilidad con DisplayPort, especialmente dado que los transmisores DisplayPort en los SoC se han vuelto cada vez más populares.

Si está usando una base con salida HDMI o VGA, está usando el modo alternativo DisplayPort debajo del capó. Cada vez con más frecuencia, los monitores vienen con DisplayPort a través de entradas USB-C y, gracias a una función llamada MST, puede encadenar monitores, lo que le brinda una configuración de múltiples monitores con un solo cable, a menos que esté usando una Macbook, ya que 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 los pines de configuración DP debían omitirse, 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 disfraz: 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 DP altmode" se realiza a través de PD: las resistencias no son suficientes. Además, no había un pin libre para HPD, una señal crucial en DisplayPort y, como tal, los eventos e interrupciones de hotplug 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 le 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 "Puertos USB3, periféricos y una salida HDMI". Si la resolución de dos carriles es una limitación 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 cuadro más altas a través de dos carriles DisplayPort adicionales.

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

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

Ninguna razón dada.

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

Ni siquiera hay una tarifa de licencia involucrada.

— 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 Intel. Evidentemente, no lo abrieron lo suficiente o hay una advertencia diferente, ya que los dispositivos Thunderbolt 3 en la naturaleza todavía se están construyendo utilizando exclusivamente chips Intel, y supongo que la falta de competencia es lo que hace que las etiquetas de precios se mantengan firmes en el triple. territorio de dígitos. ¿Por qué buscaría dispositivos Thunderbolt en primer lugar? Aparte de las velocidades más altas, hay una característica increíble.

Puede obtener transferencia de PCIe a través de Thunderbolt, ¡también con un enlace ancho de hasta 4x! 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 usan para FPGA conectados a PCIe. Si tiene dos computadoras (por ejemplo, dos computadoras portátiles) compatibles con Thunderbolt, también puede vincularlas a través de 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 hacer fácilmente un túnel DisplayPort y USB3 dentro de sí mismo. La tecnología entre Thunderbolt es extremadamente poderosa y sabrosa para los usuarios avanzados.

Dicho esto, toda esta genialidad tiene el costo de una pila tecnológica patentada y compleja. Thunderbolt no es algo sobre lo que un hacker solitario pueda construir fácilmente; sin embargo, alguien debería probarlo algún día. Y, a pesar de que los puertos 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 kernel. Si eso no ha sido evidente hasta ahora, estoy esperando ansiosamente que Intel lo reúna.

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 de USB-C más afectada por la rotación de puertos. Si su puerto USB-C usa carriles de alta velocidad, necesitará un IC mux (multiplexor) que gestione dos posibles rotaciones de USB-C: hacer 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 de un chip de alta velocidad si se desarrolló con USB-C en mente, pero muchas veces son un chip separado. ¿Desea agregar compatibilidad con USB-C de alta velocidad a un dispositivo que aún no la tiene? Un mux será un elemento central para hacer que sus comunicaciones de alta velocidad funcionen.

Si su dispositivo tiene un enchufe 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 multiplexores: 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, según lo que desee obtener de un puerto.

Verá muxes destinados a 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 elegantes que implementan Thunderbolt, el mux estará integrado en el chip Thunderbolt. Para los piratas informáticos que desarrollan con USB-C que no pueden acceder a Thunderbolt o no lo necesitan, TI y VLI ofrecen bastantes muxes buenos para todos los propósitos. Por ejemplo, recientemente he estado jugando con DisplayPort a través de USB-C, y VL170 (aparentemente un clon 1: 1 de TI HD3SS460) parece un chip maravilloso para el propósito combinado de DisplayPort + USB3.

Los muxes USB-C compatibles con DisplayPort, como el HD3SS460, no administran pines CC ni detectan la rotación por sí mismos, pero esa es una limitación razonable: debe realizar comunicaciones PD bastante específicas de la aplicación para DisplayPort, que rápidamente supera lo que un mux puede hacer para 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 suficiente la DP analógica de solo 5 V para sus necesidades de USB3? Use algo como el VL160: hará disipación y fuente de PD analógica, manejo de potencia y rotación de carril de alta velocidad, todo en uno. Este es el IC real "Quiero USB3 en USB-C y quiero que todo se gestione por mí"; por ejemplo, el VL160 es lo que usa 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 esos circuitos integrados; "USB3 mux para USB-C que hace todo" es probablemente el tipo más popular de IC relacionado con USB-C 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 los pines del conector HDMI en los pines del conector USB-C. Le daría HDMI a través de USB-C, y parece haber sido utilizado 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 bagaje de licencias de HDMI parece haber impulsado el HDMI. altmode en el suelo. Creo sinceramente que debería permanecer allí, ya que no creo que nuestro mundo pueda mejorar agregando más HDMI.

Sin embargo, el otro es realmente interesante: se llama VirtualLink. Un grupo de grandes empresas de tecnología ha estado investigando las capacidades de USB-C para VR; después de todo, es maravilloso cuando sus auriculares VR solo necesitan un solo cable para todo. Sin embargo, las gafas de realidad virtual necesitan una interfaz de video con capacidad para pantalla dual de alta resolución y alta frecuencia de cuadros y una conexión de datos de alta velocidad para cámaras y sensores auxiliares, y la combinación habitual "DisplayPort+USB3 de doble vía" 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 usa los cuatro pines para una conexión USB3. ¿Recuerdas 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 arreglo, por supuesto, requiere un cable personalizado más costoso 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 son cargadores de pared o powerbanks. La desviación de la omisión de USB2 de USB3 ha molestado a algunos; sin embargo, a los efectos de la realidad virtual, VirtualLink parecía muy útil.

Algunas GPU se enviaron con compatibilidad con VirtualLink, pero, en última instancia, no fue suficiente, y las computadoras portátiles, conocidas por sus puertos USB-C que a menudo carecen, no se molestaron. Esto hizo que un jugador clave en el arreglo, Valve, renunciara a agregar la integración de VirtualLink con Valve Index, y fue cuesta abajo desde allí. Lamentablemente, VirtualLink nunca despegó realmente. Habría sido un modo alternativo divertido tenerlo disponible: el cable único habría sido increíble para los usuarios de realidad virtual, y el requisito de un mayor voltaje disponible a través de USB-C también nos habría brindado puertos de más de 5 V con capacidad para PD. – que ninguna computadora portátil y casi ninguna PC proporciona hoy en día. Sí, solo un recordatorio: si tiene un puerto USB-C en su computadora de escritorio o portátil, le dará 5 V, seguro, pero no obtendrá un voltaje de salida más alto.

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

Lo mejor de USB-C: un proveedor o un pirata informático podría definir absolutamente sus propios modos alternativos si quisiera, mientras que el adaptador sería semi-propietario, seguiría siendo un puerto USB-C en el fondo, trabajando para carga y datos transferir. ¿Quiere un modo alternativo Ethernet o SATA de dos puertos? Hazlo. Atrás quedaron los días de tener que buscar conectores muy oscuros para los dispositivos, donde cada conector de acoplamiento y carga era diferente y podía costar hasta $10 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 y 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.