Eckdaten

USB Typ-C ist eine neue Schnittstelle, die bei Computer- und Mobilfunknutzern viel Beachtung gefunden hat. Mit der Schnittstelle verbunden ist eine Reihe von Spezialbegriffen die der Steckverbinder USB Typ-C aber dennoch unterstützt. Der vorliegende Artikel erläutert diese vielfältigen „Nicht-USB-Funktionen“, welche Bauteile der Entwicklungsingenieur zu deren Unterstützung braucht und was der Endanwender über diese Funktionen wissen muss. Video­betriebsarten, Datenbetriebsarten, Audiobetriebsarten, Debugging-Betriebsarten und Ladebetrieb mit hoher Leistung – all diese werden im folgenden Artikel besprochen.

Fünf wesentliche Merkmale machen USB Typ-C zu einer flexiblen und erweiterbaren Schnittstelle:

Stromversorgung: Die Standardspannung von USB Typ-C beträgt 5 V. Damit ist das Stecksystem rückwärtskompatibel mit früheren USB-Versionen. Allerdings verfügt der neue USB-Typ-C-Stecker für Plus und Minus über jeweils vier Pins. Entsprechend der Stromversorgungsspezifikation sind auf einem USB-Typ-C-Port Spannungen von bis zu 20 V und Ströme von bis zu 5 A möglich.

Symmetrischer Aufbau: USB Typ-C ist symmetrisch aufgebaut. Man kann den Stecker in beiden Orientierungen einstecken und auch das Kabel herumdrehen. Beides funktionierte bei bisherigen USB-Kabeln nicht, was ein stetes Ärgernis war. Bisher gab es unterschiedliche Stecker für den Host (Typ A) und das daran angeschlossene Gerät (Typ B). Bei USB Typ-C ist der Stecker auf beiden Seiten des Kabels gleich. Jeder Typ-C-Stecker lässt sich in beiden Orientierungen in jede Typ-C-Buchse stecken. Die Hardware des Ports weiß selbst, welche Funktion der Port hat.

Bandbreite: USB-Bandbreite-Typ-C unterstützt die Datenraten von USB 2.0, USB 3.1 Gen. 1 (Superspeed USB 5 Gbit/s) und USB 3.1 Gen. 2 (Superspeed USB 10 Gbit/s). USB 2.0 und USB 3.1 haben jeweils ihre eigenen Spezifikationen. Die symmetrischen Signale der USB-Superspeed-Verbindungen liegen fast auf den äußersten Pins des Steckers, in beiden möglichen Orientierungen des Steckers wird jeweils ein Satz dieser USB-Superspeed-Datenverbindungen genutzt.

Kanalkonfiguration: Auf dem USB-Stecker Typ-C liegen zwei Signale CC1 und CC2, die zur Konfiguration der Kabelverbindung dienen. Man kann über diese Signale die Orientierung des Steckers erkennen. Die Stromversorgungsparameter, alternative Betriebsarten sowie die Zubehörbetriebsarten werden über sie ausgehandelt.

Nicht-USB-Signale: Man kann den USB-Typ-C-Stecker flexibel umkonfigurieren und auf diese Weise (je nach den Möglichkeiten der angeschlossenen Geräte) eigene Betriebsarten definieren, die über die Möglichkeiten des USB-Standards hinausgehen. Bild 1 zeigt die Pinbelegung eines USB-Typ-C-Steckers. Bei einem vollbelegten USB-Typ-C-Kabel lassen sich die gelb unterlegten Pins umkonfigurieren, für Direktverbindungen (Direct Connect) kann man zusätzlich die orange unterlegten Pins umkonfigurieren.

Bild. 1: Dargestellt ist die Pinbelegung von USB Typ-C.

Bild. 1: Dargestellt ist die Pinbelegung von USB Typ-C. Lattice

Bild. 2: Prinzipschaltbild zur Unterstützung von Zubehörbetriebsarten mit Audiosignalen über USB Typ-C.

Bild. 2: Prinzipschaltbild zur Unterstützung von Zubehörbetriebsarten mit Audiosignalen über USB Typ-C. Lattice

Bild 3a: Unkomprimiertes Bild.

Bild 3a: Unkomprimiertes Bild. Lattice

Bild 3b: Dieses Bild wurde einer 2,5-fachen Kompression nach DSC-Spezifikation unterworfen. Es ist praktisch kein Unterschied zwischen Bild 3a und 3b zu erkennen.

Bild 3b: Dieses Bild wurde einer 2,5-fachen Kompression nach DSC-Spezifikation unterworfen. Es ist praktisch kein Unterschied zwischen Bild 3a und 3b zu erkennen. Lattice

Die Umbelegung von Signalen wird über die CC-Leitungen ausgehandelt. Hierbei gibt es zwei unterschiedliche Typen „anderer“ Betriebsarten und zwar Alternativ- und Zubehörbetriebsarten. In einer Zubehörbetriebsart erkennen die CC-Leitungen an einfachen Logikpegeln, welches Zubehörgerät angeschlossen ist. Zum Schalten in den Alternativbetrieb läuft über die CC-Leitungen ein Zweiphasenmarkierungscode (BMC, Biphase Mark Code), über den die Verbindung konfiguriert wird. Beide Beteiligten müssen sich erst einigen, bevor Pins tatsächlich umbelegt werden. Wenn sie nicht in den Alternativ- oder in den Zubehörbetrieb geschaltet sind, müssen sich alle USB-Typ-C-Ports der Norm gemäß als normale USB-Ports verhalten.

Zubehörbetrieb

Über den USB-Typ-C-Verbinder werden im Zubehörbetrieb zusätzlich analoge oder Debugging-Signale geführt. Im Audiobetrieb kann eine Audioquelle (etwa ein Mobiltelefon oder ein Notebook) über die USB2.0 (D+/D-) -Pins ein analoges Stereosignal führen (R/L) und gleichzeitig über einen der Seitenbandpins (SBU1 oder SBU2) ein Mikrophonsignal von einer externen Quelle aufnehmen. Vermutlich gibt es in naher Zukunft eine Zubehörbetriebsart, die auch digitale Audiosignale unterstützt. Host-seitig benötigt man lediglich einfache Spannungskomparatoren, die erkennen, welche Zubehörbetriebsart das angeschlossene Zubehörgerät anfordert. Die Audioquelle muss die zugehörige Erkennungslogik bereitstellen. Sobald das angeschlossene Zubehör und die zugehörige Betriebsart richtig erkannt sind, trennt die Audioquelle mittels Analogschaltern die USB-2.0-Datensignale von den Steckerpins und schaltet die Analogsignale auf (siehe Bild 2). Die Implementierung von Zubehörbetriebsarten in Mobiltelefonen oder Notebooks ist nicht obligatorisch; der Anwender muss also die Betriebsanleitung seines neuen Gerätes sorgfältig studieren, um zu klären, ob sein Gerät Audiosignale über den USB-Typ-C-Verbinder unterstützt oder nicht.

Stromversorgungsparameter (PDO) und -vereinbarung

Stromversorgungsparameter (PDO, Power Data Objects) sind Datenpakete, die angeben, welche Spannungen und welche Ströme ein USB-Typ-C-Anschluss liefern kann. Jeder USB-Typ-C-Port, der in der Lage ist, Strom zu liefern, kann beim Zustandekommen einer neuen Verbindung bis zu sechs solcher Datenpakete abschicken. Das Empfängergerät sucht sich aus diesen Kombinationen eine für sich passende heraus und bestätigt diese. Damit ist eine Stromversorgungsvereinbarung geschlossen, nun darf Strom zwischen den beiden USB-Typ-C-Ports fließen. Die bereitgestellte Spannung kann zwischen 0 und 20 V liegen (in 50-mV-Inkrementen), der bereitgestellte Strom zwischen 0 und 5 A (in 10-mA-Inkrementen). Obligato­risch muss ein Stromversorgungsport 5 V bei 900 mA liefern können. Andere Spannungen und Ströme sind optional. Will ein Verbraucher einen Stromverbraucher und ein Ladegerät mit USB-Typ-C-Anschlüssen kaufen und dabei eine möglichst kurze Ladezeit sicherstellen, muss er vorher klären, ob die Stromversorgungs- (also Lade-) parameter beider Geräte zusammenpassen. Obligatorisch implementiert sein müssen die Standardstromversorgungsparameter (5 V / 900 mA = 4,5 W); zumindest diese passen in jedem Fall zusammen. Dem Anwender steht dann jedoch nur die Standardladung zur Verfügung und nicht die gewünschte Schnellladung. Die Zukunft wird es den Anwender vermutlich erleichtern, die Abgabeleistung eines Ladegeräts mit den Ladeparametern des Verbrauchers in Einklang zu bringen.

Alternativbetrieb und strukturierte VDMs

Eine zweite Möglichkeit, Nicht-USB-Daten über einen USB-Typ-C-Stecker zu führen, ist der sogenannte „Alternativbetrieb“ (Altmode). Bisher gibt es zwei standardisierte Altmodes von Normgremien, die mit dem USB-Implementers-Forum eine Kooperationsvereinbarung abgeschlossen haben: Displayport und MHL. Thunderbolt 3 ist ein von Intel entwickelter proprietärer Altmode. Displayport und MHL befassen sich mit der Anbindung eines externen Bildschirms über USB Typ-C. Thunderbolt unterstützt zusätzlich den Datentransport, da Intels neuester Controller Alpine Ridge die Protokolle PCI Express Gen. 3 und USB 3.1 Gen.2 beherrscht. Laut Arstechnica liefert der Altmode Thunderbolt mit seinem hohen Integrationsgrad die umfangreichste Protokollunterstützung über USB Typ-C, und zwar native Unterstützung für PCI Express Gen. 3, USB3.1 Gen.2, Displayport 1.2 und natürlich Thunderbolt. Die Datenrate beträgt 40 Gbit/s, das reicht, um zwei 4k-Bildschirme oder einen 5K-Bildschirm mit 60 Bildern/s anzusteuern.

Displayport hingegen zielt auf eine höhere Bildschirmauflösung und kann über einen einzigen USB-Typ-C-Port 8K-Bildschirme ansteuern. DP 1.3 ermöglicht es, 32,4 Gbit/s unkomprimierte Videodaten zu übertragen, das reicht ausweislich der VESA-FAQ-Seite für einen 8K-Bildschirm mit 60 Bildern/s bei 4:2:0.

Die zweite standardisierte Alternativbetriebsart bei USB Typ-C ist MHL. MHL unterstützt komprimierte oder unkomprimierte Videosignale. Ohne Kompression werden 24 Gbit/s übertragen, das reicht für 4K Auflösung bei 60 Bildern/s und 12 Bit Farbtiefe. Mit Display Stream Compression (DSC) erreicht MHL bis zu 72 Gbit/s, das ist die erforderliche Bandbreite für 8K Auflösung bei 60 Bildern/s und 4:4:4. Mit dieser Leistung ist MHL die schnellste Videoschnittstelle (gemessen an der effektiven Videobandbreite). DSC ist ein zeilenorientierter Kompressionsalgorithmus, der eine praktisch nicht wahrnehmbare Kompression liefert und mit minimaler Latenz auskommt (Latenzen sind bei jedem Kompressionsverfahren unvermeidlich). Ein Beispielbild vor und nach DSC zeigen die Bilder 3a und b.

Will ein Systemarchitekt eine der oben beschriebenen Alternativbetriebsarten einsetzen, braucht er zunächst einen Chipsatz, der den betreffenden Standard unterstützt. Für Thunderbolt ist Intel der einzige Anbieter, für MHL und Displayport gibt es jeweils mehrere Anbieter. Im zweiten Schritt benötigt man einen Steuerchip, der die Altmodes verwalten kann, etwa einen der neuesten Steuerchips für USB-Typ-C-Ports von Lattice. Die Logos der Alternativbetriebsarten sind nicht obligatorisch. Um herauszubekommen, welche alternativen Betriebsarten unterstützt werden, muss der Anwender vor dem Kauf sorgfältig die Gerätebeschreibungen studieren, damit er nicht ein Gerät kauft, das an seinem USB-Typ-C-Anschluss nur Displayport unterstützt, während der daran angeschlossene Bildschirm MHL sehen will.

Stukturierte und unstrukturierte herstellerspezifische Meldungen

Sowohl strukturierte als auch unstrukturierte VDMs enthalten die ID des jeweiligen Herstellers (SVID Standard or Vendor ID) und werden vom USB-IF zugewiesen. Damit ist die eindeutige Zuordnung der Meldungen sichergestellt. Standard-IDs werden standardisierten Altmodes zugeordnet, die für den gesamten Bereich USB Typ-C gelten (etwa MHL oder Displayport). Herstellerspezifische IDs sind spezifisch für einen ganz bestimmten Hersteller, diese IDs müssen nicht notwendigerweise öffentlich bekannt sein.

USB-Stromversorgungsmeldungen (USB PD Power Delivery) und -befehle sind sowohl für die Standardbetriebsart als auch für herstellerspezifische Betriebsarten definiert. Der Wechsel hin zu alternativen Betriebsarten und zurück findet typischerweise über strukturierte VDM-Meldungen statt. Unstrukturierte VDMs hingegen sind komplett vom jeweiligen Hersteller definiert und kommen typischerweise (aber nicht notwendigerweise) nur einmal in einer alternativen Betriebsart zur Verwendung.

Man möchte beispielsweise nach dem Umschalten in eine alternative Betriebsart weiter strukturierte VDMs absenden, um den Betrieb des Altmodes zu steuern. Dennoch kann sich die Notwendigkeit ergeben, dann einen Befehl abzusetzen, den strukturierte VDMs nicht unterstützen.

Verbraucheraufklärung

Der Schlüssel zum Erfolg von USB Typ-C ist die Verbraucheraufklärung. Hierbei sollte man zunächst die Vorteile von USB Typ-C herausstellen:

  • Es gibt nur eine Steckerform auf beiden Seiten des Kabels, der Stecker lässt sich in beiden Orientierungen stecken
  • Flexibles und schnelles Laden mit Spannungen bis 20 V und Strömen bis 5 A (wenn beide Beteiligten die Ladeparameter unterstützen)
  • Optionale Übertragung auch anderer Signale über die gleiche Steckverbindung, etwa Audiosignale für ein Headset oder Videosignale für einen Bildschirm

Für optimale Ladezeiten muss der Verbraucher beim Kauf eines Ladegeräts mit USB Typ-C-Anschluss darauf achten, dass die Ladeparameter des zu ladenden Geräts mit den Stromversorgungsparametern des Ladegeräts zusammenpassen.

Zubehörbetriebsarten bei Mobiltelefonen und Notebooks sind optional, daher muss der Verbraucher stets prüfen, ob die von ihm gewünschte Betriebsart (etwa Audio über USB Typ-C oder MHL, DP, Thunderbolt) wirklich unterstützt wird. Logos, die das Vorhandensein dieser alternativen Betriebsarten signalisieren, sind nicht obligatorisch.