使用FPGA实现灵活的USB Type-C接口控制

1 USB Type-C接口介绍

二十年前，第一代通用串行总线(Universal Serial Bus, USB 1.0)的出现，为各自为政的电子行业通信标准注入了互通性。而最新发布的USB Type-C接口规范将USB技术提升到了一个新的高度，能够满足21世纪电子行业的需求，同时也将再一次改变计算机、消费类电子产品以及移动设备之间的互连方式。轻薄、坚固、无需区分插头方向的USB Type-C连接器拓展了由USB 3.1超速(SuperSpeed+)规范定义的各项功能，采用双通道实现高达20 Gbps的总带宽，最多能够将高清电影和3D图像等大型文件的传输时间减少一半。得益于USB Type-C接口的大功率特性，可实现高达100W的快速充电以及为笔记本电脑、监视器、电视机等更大的设备供电。USB Type-C接口还具备多项独一无二的特性，包括新的视频模式——使用USB连接器和电缆传输DP、VGA和HDMI等格式的视频。

USB Type-C接口将为消费者带来诸多激动人心的新特性。不过，要发挥出USB Type-C接口的潜能，设计人员必须根据设计需求实现USB Type-C的供电(PD)协议、电缆方向侦测、高速信号切换以及供应商自定义消息(Vendor Defined Messaging, VDM)功能。本文将讨论如何将低成本的FPGA与现有的USB设备相结合，开发出能够充分发挥USB接口高速、大功率和通用特性的产品，以及如何快速将产品推向市场。

2 USB Type-C接口简介

2.1 新一代可靠耐用的连接器

USB Type-C接口的命名源于USB Type-C连接器，USB开发者论坛(USB Implementers Forum, USB-IF)设计了这个坚固、易于使用的接口来替代当今移动设备中广泛使用、易于损坏的Micro-B连接器(图1)。

这款24-pin连接器的机械设计反应了设计人员从Micro-B连接器上获得的历史教训，它无需确定插入的正反方向并可实现10000次的插拔。用户再也不需要担心“哪头上，哪头下”，因为USB Type-C连接器没有正反方向之分，所以从任一方向插拔皆可。此外，不像其他大多数USB电缆，USB Type-C电缆两端使用相同的插头。

2.2 数据通道增加

USB Type-C电缆包含两组支持10Gbps USB 3.1超速标准的Tx/Rx信号通道，提供了20Gbps总带宽，理论上可实现2倍的数据传输和下载时间改善。并保留单独一组引脚给使用USB 2.0连接的传统应用。

2.3 供电性能增强

该电缆还包含配置通道(Configuration Channel, CC)，可用于发现、配置和管理USB Type-C的先进供电(Power Delivery)功能，为外设或移动设备实现高达100W的供电能力。

2.4 更灵活的USB架构

除了最新的USB标准中定义的“上行数据流端口(Upstream-Facing Port, UFP)”和“下行数据流端口(Downstream-Facing Port, DFP)”，USB Type-C规范还定义了“双重用途端口(Dual Role Port, DRP)”。这种新型的USB数据端口能够作为DFP或UFP两者中任一个进行工作。DRP可被永久地配置为DFP或UFP，也能在这两种端口间动态切换。请注意：不要与USB供电(Power Delivery)规范中的术语混淆，后者中的“双重用途端口(dual-role port)”是指供电功能。

2.5 供应商自定义消息(VDM)

该标准还可以扩展用于非USB应用的连接。结构化的VDM允许主机发现和配置连接设备的可选模式，重新分配信号对用于非USB端口，如PCIe或显示端口(DisplayPort)。非结构化的VDM允许供应商传输供应商专用信息和配置控制数据。

3 USB Type-C信号

USB Type-C连接器的24个引脚在插头中呈对称分布，可实现“正常”或“反向”的插拔。对于用户使用来说很方便，但是仅有一部分的连接是“对称”的，即USB连接是无需考虑方向的(图2)。

USB Type-C接口的对称连接包含：

D+/D-：当USB3接口不可用时，这些引脚为USB2信号提供信号通道。

Vbus/GND：这些引脚能够为上行数据接口提供高达100W的供电能力，或者在一些情况下支持点对点供电。

剩余的连接是“非对称”的，也就是说在连接器插入方向错误时这些连接无法正常工作，除非这些端口在电气或逻辑方面做了修正。USB Type-C的非对称连接包含：

Tx1/2 Rx1/2：提供最多2通道的超速数据链路，实现双向高达20Gbps的带宽。

CC1/CC2：配置通道信号用于连接的发现、配置和管理。请注意它们中仅有一个信号用作配置通道，另一个在上行数据流端口中用于为USB逻辑供电。

SBU1 & 2：边带使用(Side Band Use)信号适用于传输非USB信号，它们用于模拟音频(Analog Audio)模式，也可用于可选(Alternate)模式。

4 实现USB Type-C应用时所面临的挑战

目前，要将USB Type-C接口添加到