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USB Type-C接口市场已整合完成

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USB Type-C接口市场已整合完成

发布日期:2021-09-04 00:00 来源:http://www.zdtconn.com 点击:

USB Type-C接口市场已整合完成

从2015年开始,USB Type-C接口开始初入江湖,如今越来越多的PC、笔记本电脑、平板电脑和智能手机均已经采用或者计划这种接口设计,随着欧盟要求统一接口的强制命令发布(新法规逼迫 iPhone 使用 USB-C 标准接口),连苹果也不得不往TYPE C接口并入的时候,至此USB Type-C已经正式步入整合阶段,此背景下,我们曾经使用和信赖的众多接口将何去何从,今天我们一起看看如今这些主流接口应对Type-C布局和整合之路:Displayport,Thunderbolt,HDMI。

01

Displayport接口

2015年初VESA(视频电子标准协会)发布了DislayPort标准1.4版本,在USB Type-C和USB 3.1标准发布并且更广泛地应用后,DsiplayPort Alt Mode被集成到最新的USB Type-C上,成为了VESA和USB推广小组共同的目标,并于Type-C中集成8K视频传输功能.

VESA简介

DP系列为主导的视频电子标准协会VESA(Video Electronics Standards Association, VESA)是一家自1989年创立以来,一直致力于制订并推广显示相关标准的非盈利国际组织,总部设立于加利福尼亚州的Milpitas;高清数字显示接口标DisplayPort赢得了AMD、Intel、NVIDIA、戴尔、惠普、联想、飞利浦、三星、AOC等业界巨头的支持, VESA作为一个全球性的行业联盟,目前已经拥有超过250家会员单位,VESA会员构成以芯片厂商为主,其次是显示器厂商,以及线缆、连接器厂商,使命是开发促进和支持所有厂商以及经过认证的互操作产品构成的生态体系,促进整个电子行业的发展.

VESA组织成员

Displayport接口定义的简单讲解

DisplayPort接口已经逐渐取代VGA,成为个人电脑PC上的高清多媒体主要接口之一,也有部分的液晶电视和笔记本的内设接口采用是DisplayPort接口,目前最新的是2019年6月26日VESA标准组织发布的DisplayPort 2.0数据传输标准规范,与雷电3、USB-C紧密结合,可满足8K乃至更高级别的显示,更多DisplayPort接口规范的资讯,可以查看其官方网站:https://vesa.org.

最新的DP2.0物理接口已经统一为USB-C接口(DP2.0接口即将正式登场),但是其无论是什么形态,DP有20根引脚,这一点是不会变的;接下来说一下DP的传输形式。虽然说起来比较惊人,但实际上就是这样——Displayport是类似于PCI-E的,甚至可以说它就是PCI-E的视频改版。因为只有这样才能解释为什么雷电接口可以在输出DP视频信号的同时传输数据;当然,视频信号的传输和PCI-E这种传输的数据包和传输方式是不同的,所以就不要想用显卡上的DP口来当雷电用了,不可能的 ;接下来看标准DP接口在物理上的定义.

是不是感觉很眼熟?没错,基本上就是雷电接口的那些东西——4路高速差分信号(引脚1/3、4/6、7/9、10/12)1路低速差分信号(引脚15/17)、供电、热插拔检验、地线。接下来解释这些都是做什么的;

首先是4路高速差分信号;对于传输视频信号的DP而言,这4路信号都是单向的——从显卡到显示器,因为反过来传输这么高速的数据没用;当然,可以分出来一小部分带宽用于传输音频信号;至于那1路低速差分信号,也比较好理解——主要是显示器向显卡端传输的;至于传输什么,第一是显示器的型号、分辨率等信息,使电脑能够正确识别显示器(这个功能上古的VGA就有,所以目前最先进的DP不可能没有);

第二就是比较实用的摄像头、触屏回传功能,这样的话显示器上的摄像头或者触屏显示器就不用单独接线,直接用DP就可以了,省心省力。剩下的就不用解释了吧,通过字面就能理解。

总结:可以看出,DP 接口的诞生就是为了取代 HDMI 接口,除了是完全免费使用外,它还支持通过 USB-C 及 Thunderbolt 雷电接口同步传输数据及视频,这也意味着未来笔记本只需要一根线即可完成对显示器的视频输出,以及使用显示器上的 USB 扩展坞,虽然DP接口不仅在视频传输上比较先进,在接口设计上也比较先进,在保证足够的稳定性的前提下,利用20根线实现了4条高速、1条低速差分信号的传输,不仅带宽高,而且功能强,但是由于它的使用范围相较于 HDMI 接口来说要小很多,目前来看还无法完全取代 HDMI 接口.

02

Thunderbolt 接口

2016年6月3日,Intel正式公布了Thunderbolt 3接口规范,该接口需要占用4条PCI-E 3.0通道,传输速率可达40Gbps,为了跟USB接口竞争,Intel主导研发了Thunderbolt接口,因为其高额的版权授权费用,让其并没有得到普及,只有苹果Mac电脑以及少数高端主板才支持该接口,而且相关外设的价格非常昂贵,Thunderbolt 3接口能支持双4K(4096×2160)60Hz显示器输出,且提供更强的供电能力,可给设备提供15W电力,如果是专门用来充电的话,最高能支持100W供电;令人吃惊的是,Thunderbolt 3接口居然和USBType-C一模一样,而且兼容USB 3.1标准。这么做的好处相当明显,未来USB Type-C设备可直接插在Thunderbolt3接口上使用,这显然会带动Thunderbolt 3接口的发展;最新Tiger Lake已经确认首发Thunderbolt 4(雷电/雷雳4),由于Thunderbolt 4的带宽保持在40Gbps,它和USB4某种程度上也算是一回事了.基于Intel雷电4接口协议(英特尔的“雷电4”让Type-C成为了目前最佳的快充接口标准),带宽40Gbps且只有USB Type-C一种接口形态,同时支持100W功率供电,充分的带宽能让它支持菊花链承载外置独立显卡,或两台4K显示器/一台5K显示器.

Thunderbolt 简介

ThunderboltI/O技术由Intel公司开发,每个接口配备两个10Gbps全双工数据路径链路,要比Firewire800接口快达12倍。Thunderbolt采用64b/66b数据编码格式,而Intel开发的接口控制器可将PCI–Express和DisplayPort复用成为一个单数据流。Intel公司开发的第一代控制器代号为Light Ridge,随后的第二代、第三代控制器代号分别是Cactus Ridge和Redwood Ridge,而新一代(第四代)控制器的代号是Falcon Ridge。

在主机设备中,控制器从I/O控制器集线器中获取PCI–Express数据,从I/O控制器中的负信号或如图1所示的外部图形控制器中获取DisplayPort数据。接下来,该组合信号通过全双工差分信号发出。一般情况下,每个控制器配备两个端口,可进行菊花链方式的连接。

Thunderbolt 接口定义的简单讲解

前两代雷电使用的是mini DP接口,而雷电3开始其使用的是Type-C的物理接口,这个接口有20根引脚。

如图。其中Ground都是接地,一共8根,其中2根保留未使用。引脚2用于热插拔的检验,引脚3到6是一对双向串行差分信号,引脚15到18是另一对双向串行差分信号。所以雷电1是基于 PCI-E 2.0 X2的,利用两路PCI-E通道(也就是4路差分信号)进行传输,速度为双向各10GT/s,全双工。引脚9和11可能是USB2.0的差分信号(也就是“向下兼容USB”)。引脚20是正极供电。关于雷电2,官方给出的速度是20Gbps,基于PCI-E 2.0 X4,依然使用miniDP接口(接口定义不变,所以完全兼容)。然而根据接口定义,miniDP只能承载4路差分信号,也就是全双工下的两对(X2通道)

因为4条通道可以同时单向工作,所以速度可以达到PCI-E X4的单向速度,也就是20GT/s,但是这时是半双工的。在全双工下,单向速度还是10GT/s。接下来是雷电3。雷电3使用的是我们都非常熟悉的Type-C接口,Type-C接口在USB时的定义如下

但是雷电3是4路差分信号,所以在针脚定义上和USB3.1(2路差分信号)完全不同。具体如何定义的,很遗憾,我并没有查到资料。不过我们可以大体分析一下。Type-C有24根引脚,但是,因为它是双面可插的,所以只有一半的引脚是有效的,也就是图中圈上的那部分

所以,有12根引脚可用。这12根引脚,分配给4路差分信号,需要8根引脚。加上1根屏蔽地、1根地线、1根供电(正极),还剩一根保留(可能用于热插拔检测),是完全够用的。在协议上,全速雷电3使用了PCI-E3.0 X4,和雷电2一样分两种模式——全双工和半双工。半双工下,最高速度为32GT/s,因为使用了128b/130b编码,所以实际速度为3.938GB/s(查表就可以知道)。当然,全双工模式下速度减半。那我就很好奇——“40Gbps”的官方宣传速度到底是怎么来的?个人猜想,节操丢尽的英特尔又在忽悠人。3.938,四舍五入,就是4了嘛!然后按照老的8b/10b的编码方式(实际上编码方式换了),4*8*(10/8)=40G/s,嗯,没毛病。另外,雷电3存在半速版,使用的是PCI-E 3.0 X2,这次就只有全双工模式——也就是双向各“20G/s”(实际上是16GT/s),

,虽然名义上是半速的,实际上在全双工下速度和全速没有区别。注意:雷电3接口速度不能达到PCI-E 3.0 X4的全部速度(全双工,双向各32GT/s)的原因不是计算机内部分配的PCI-E通道数不足,而是雷电接口本身的针脚数不足,只能容纳4路差分信号(而PCI-E 3.0 X4是8路差分信号)。最后总结一下。雷电这东西,在原理上还是比较先进的,楞是用4条差分通道达到了PCI-E X4的单向速度,反正消费者们也不关注到底是全双工还是半双工。个人认为,这种设计对于PCI-E而言完全就是浪费。在速度已经达到“双向各20G/s”的雷电3时代,仅仅就是为了和USB3.1争一个高低,就把本来全双工的PCI-E X4变成半双工工作来解决线数不够的问题,这就是很严重的浪费了(的确,为了找出4个全速雷电3需要的20条PCI-E 3.0,2017版高端MBP把给独显用的16条和给PCH(可以理解为南桥)的4条全给了雷电,所以,连独立显卡都没有!这可真是“Macbook Pro”啊!独显都没有,除了价格,真没看出哪里对得起Pro这个词。

03

HDMI 接口

2002年4月,日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝七家公司共同组建了HDMI高清多媒体接口组织,开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术;经过半年多时间的准备工作,HDMI组织在2002年12月9日正式发布了HDMI 1.0版标准,标志着HDMI技术正式进入历史舞台;截止今天,HDMI己经走过了近20年的路,从最早的1.0到现在的2.1,从1080p,到现在的8K @60Hz,这是一个飞跃;HDMI接口、家庭视屏系统的霸主,开放握手协议,支持TYPE C TO HDMI协议,并更新最新的2.1版本;自从HDMI Forum 正式推出了最新 HDMI 2.1 版早期规范,就宣告我们的8K数据时代来临!(HDMI 2.0已淘汰;HDMI 2.1上位)

HDMI 简介

HDMI,英文全称是High Definition Multimedia Interface,中文名称是高清晰多媒体接口的缩写。2002年4月,Hitachi(日立)、Panasonic(松下)、PHILIPS (飞利浦)、SONY(索尼)、THOMSON(汤姆逊)、TOSHIBA(东芝)和Silicon Image七家公司联合组成HDMI组织。HDMI能高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据,最高数据传输速度为48Gbps。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI1.3不仅可以满足目前最高画质1440P的分辨率,还能支持DVD Audio等最先进的数字音频格式,支持八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传送,而且只用一条HDMI线连接,免除数字音频接线。同时HDMI标准所具备的额外空间可以应用在日后升级的音视频格式中。足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器,接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B,因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”,自动选择最合适的视频/音频格式.

HDMI 创始组织成员

HDMI 接口定义的简单讲解

HDMI接口主要有Type A、Type B、Type C、Type D、Type E五种类型。

1、HDMI A Type是使用最广泛的HDMI线缆,HDMI A接口共有19pin,宽度为13.9毫米,厚度为4.45毫米。在日常生活使用中的绝大部分影音设备都配备这个接口。比如:蓝光播放器、小米盒子、笔记本电脑、液晶电视、投影机等等。

2、HDMI B Type生活中比较少见,它主要用于专业级的场合。HDMI B接口采用29pin,宽度21毫米。HDMI B Type的数据传输能力比HDMI A type快近两倍,相当于DVI Dual-Link。由于多数影音设备工作频率均在165MHz以下,而HDMI B Type的工作频率在270MHZ以上,所以多见于专业应用场景,如WQXGA 2560&TImes;1600以上的分辨率。

3、HDMI C Type常称为Mini HDMI,它主要是为小型设备设计的。HDMI C Type同样采用19pin,但是宽度只有10.42毫米,厚度有2.4毫米。它主要应用在便携式设备上,比如数码相机、便携式播放机等设备。

4、HDMI D Type俗称Micro HDMI。HDMI D Type尺寸进一步缩小。同样为19pin,宽度只有6.4毫米,厚度2.8毫米,很像Mini USB接口。主要应用于小型的移动设备上面。比如:手机、平板电脑等。

5、HDMI E Type主要用于车载娱乐系统的音视频传输。由于车内环境的不稳定性,HDMI E Type在设计上具备抗震性、防潮、耐高强度、温差承受范围大等特性。在物理结构上,采用机械式锁定设计,能保证接触可靠性。

如上图,HDMI A TYPE共19针,其中1-9针为数据信号;10、11、12针为时钟信号;13针为CEC针;14针为空;15针SCL针;16针为SDA针;17针为地;18针+5V电源;19针为热插拔检测.

HDMI A Type

应用于HDMI1.0版本,总共有19pin,规格为4.45mm×13.9mm,为最常见的HDMI接头规格,相点对点于DVI Single-Link传输。在HDMI 1.2a之前,最大能传输165MHz的TMDS,所以最大传输规格只能在于1600×1200(TMDS 162.0MHz)

PinPin定义1TMDS Data2+2TMDS Data2 Shield3TMDS Data2–4TMDS Data1+5TMDS Data1 Shield6TMDS Data1–7TMDS Data0+8TMDS Data0 Shield9TMDS Data0–10TMDS Clock+11TMDS Clock Shield12TMDS Clock–13CEC14Reserved(N.C. on device)15SCL16SDA17DDC/CEC Ground18+5V Power19Hot Plug Detect

HDMI B Type

应用于HDMI1.0版本,规格为4.45mm×21.2mm,总共有29pin,可传输HDMI A type两倍的TMDS数据量,相点对点于DVI Dual-Link传输,用于传输高分辨率(WQXGA 2560×1600以上)。因为HDMI A type只有Single-Link的TMDS传输,如果要传输成HDMI B type的信号,则必须要两倍的传输效率,会造成TMDS的Tx、Rx的工作频率必须提高至270MHz以上。而在HDMI 1.3 IC出现之前,市面上大部分的TMDS Tx、Rx只能稳定在165MHz以下工作。此类接口未应用在任何产品中 。

PinPin定义1TMDS Data2+2TMDS Data2 Shield3TMDS Data2–4TMDS Data1+5TMDS Data1 Shield6TMDS Data1–7TMDS Data0+8TMDS Data0 Shield9TMDS Data0–10TMDS Clock+11TMDS Clock Shield12TMDS Clock–13TMDS Data5+14TMDS Data5 Shield15TMDS Data5-16TMDS Data4+17TMDS Data4 Shield18TMDS Data4-19TMDS Data3+20TMDS Data3 Shield21TMDS Data3-22CEC23Reserved(N.C. on device)24Reserved(N.C. on device)25SCL26SDA27DDC/CEC Ground28+5V Power29Hot Plug Detect

HDMI C Type

俗称mini-HDMI,应用于HDMI1.3版本,总共有19pin,可以说是缩小版的HDMI A type,规格为2.42mm×10.42mm,但脚位定义有所改变。主要是用在便携式设备上,例如DV、数字相机、便携式多媒体播放机等。由于大小所限,一些显卡会使用mini-HDMI,用家须使用转接头转成标准大小的Type A再连接显示器.

PinPin定义1TMDS Data2 Shield2TMDS Data2+3TMDS Data2–4TMDS Data1 Shield5TMDS Data1+6TMDS Data1–7TMDS Data0 Shield8TMDS Data0+9TMDS Data0–10TMDS Clock Shield11TMDS Clock+12TMDS Clock–13DDC/CEC Ground14CEC15SCL16SDA17Reserved(N.C. on device)18+5V Power19Hot Plug Detect

HDMI D Type

应用于HDMI1.4版本,总共有19pin,规格为2.8mm×6.4mm,但脚位定义有所改变。新的Micro HDMI接口将比现在19针MINI HDMI版接口小50%左右,可为相机、手机等便携设备带来最高1080p的分辨率支持及最快5GB的传输速度。

PinPin定义1Hot Plug Detect2Utility3TMDS Data2+4TMDS Data2 Shield5TMDS Data2-6TMDS Data1+7TMDS Data1 Shield8TMDS Data1-9TMDS Data0+10TMDS Data0 Shield11TMDS Data0-12TMDS Clock+13TMDS Clock Shield14TMDS Clock-15CEC16DDC/CEC Ground17SCL18SDA19+5V Power

随着欧盟要求统一接口的强制命令发布,连苹果也不得不往TYPE C接口并入的时候,至此USB Type-C已经正式步入整合阶段,加上如今USB协会主动自废武功进行整合,仅此一家之举(Type C终将一统江湖,协会不再接受USB 3.x Micro-B, Micro-AB认证),预告USB的江湖只有一个存在,USB Type C接口时代快马加鞭而来,其它相关接口必须主动往USB Type C接口融合


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