USB-liitännän C-määritys esiteltiin elokuussa 2014 ja se on tuonut selvästi lisää ominaisuuksia väylään. Jotta uusista ominaisuuksista saisi edun, voi USB-portin toteuttamisen hinta kasvaa merkittävästi. On kuitenkin mahdollista suunnitella C-tyypin liitäntä kustannustehokkaasti.
| Artikkelin kirjoittaja on Microchip Technologyn sovellusinsinööri Andrew Rogers. Hän tarjoaa suunnittelijoille ohjeita siitä, kuinka siirtää USB 2.0- ja 3.0-suunnittelut C-tyypin USB-kaapeliin. |
Perustason C-tyypin UFP-liitäntä (upstream facing port) voidaan toteuttaa muutamalla erilliskomponentilla, jotka tekevät siirtymisen vanhoista B-, mini-B- ja mikro-B-tyypin liitännöistä yksinkertaisiksi ja edullisiksi.
USF-portti on laitepuolen portti, joka voidaan ladata tai virtaistaa tai jättää lataamatta Vbus-väylästä. Minimissään UFP-liitännässä täytyy olla USB 2.0-laiteliitäntä ja sen täytyy pystyä lukemaan resistoreja CC-nastoissa (signaalinohjausnastat). Vaihtoehtoisesti UFP voi myös havaita kaapelin liittämisen ja suunnan, mikäli liitännässä ei toteuteta USB 3.0- tai 3.1-määritystä, ja havaita laiteportin (DFP, device facing port) virtakyvyn, mikäli UFP kuluttaa vain vanhan ”legacy-USB:n” virtakuorman.
C-tyypin USB
C-tyypin USB-kaapeli on USB-IF-järjestön kehittämä 24-nastainen molemmin päin istuva liitäntä. Kaapeli on yleiskaapeli, joka vastaa monia tietokone-, näyttö- ja lataussovellusten tarpeita. C-tyypin kaapelin pitkän tähtäimen suunnitelma on korvata kaikki aiemmat USB-kaapelit ja parantaa liitännän ominaisuuksia suuresti.
USB:n tehonsyöttö- (PD, power delivery) ja ns. vaihtoehtoinen moodi- eli alternate mode -ominaisuudet laajentavat USB-standardin käyttömahdollisuuksia entisestään. PD:n eli tehonsyötön ja vaihtoehtoismoodin toteuttamisen kustannukset ovat kuitenkin paljon vanhoja USB-suunnitteluja korkeammat, eikä näitä ominaisuuksia tarvita kaikissa sovelluksissa.
Jos katsotaan USBC-liitännän nastoitusta (kuvassa 1), kaksi USB 2.0:n differentiaaliparia liittimessä liittyvät vain yhteen differentiaalipariin standardissa USB 2.0 -liitännässä tai kaikki toiminnot sisältävässä C-tyypin kaapelissa. Tyypillisessä suunnittelussa D+- ja D--nastat vain liitetään piirikortilla oikosulkuun niin, ettei multiplekseriä tai kytkintä tarvita.
Kuva 1. C-tyypin USB-liitännän nastoituskaavio.
Toista nastaparia B6-B7 voidaan käyttää vain telakointityyppisissä sovelluksissa, joissa vain yksi suunta on mahdollinen.
Oletusarvoisesti vain yhtä lähetys- ja vastaanottonastaparia (TX ja RX) käytetään USB 3.0- ja 3.1-dataliikenteeseen, riippuen kaapelin liitäntäsuunnasta. Kaapelin molemminpuolisuudesta johtuen USB 3.0- ja 3.1-linjat täytyy uudelleenreitittää liitännän suunnan mukaisesti. Tyypillisessä sovelluksessa voidaan käyttää esimerkiksi 2:1-multiplekseriä tämän saavuttamiseksi.
C-tyypin UFP-perusliitännässä CC-nastoja käytetään havaitsemaan kaapelin suunta ja C-määritysten mukainen virran käytettävyys. SBU-linjat ovat hitaampia signaalijohtimia, joita käytetään vain vaihtoehtois- eli alternate mode -käytössä
UFP:n toteuttaminen
C-tyypin USB:n UFP-liitännän perustasoisin ja edullisin toteutus vaatii kolme komponenttia: USB 2.0-laitteen tai -keskittimen portin isännän suuntaan (upstream), C-tyypin liittimen ja CC-nastan (ohjaussignaalilinjan) alasvetoresistorit.
USB 3.0- ja 3.1-laitteen tai -keskittimen sekä C-tyypin virransyöttöominaisuuden havaitsemisen toteuttaminen vaatii seuraavat komponentit: USB 3.0- tai 3.1-laitteen tai -keskittimen portin isännän suuntaan, C-tyypin liittimen, ohjaussignaalilinjan alasvetoresistorit, USB 3.0:n tai 3.1:n 2:1-multiplekserin sekä ohjaussignaalilinjan komparaattorit.
Liitäntäsuunnan havaitsemiseksi tarvitaan vähintään yhtä komparaattoria määrittelemään C-tyypin liittimen suunta ja ohjaamaan USB 3.0- tai 3.1-multiplekseriä. C-tyypin virransyöttömahdollisuuden havaitsemiseksi tarvitaan kaksi komparaattoria 1,5 ampeerin virran havaitsemiseen, kaksi komparaattoria 3 ampeerin virran havaitsemiseen tai neljä komparaattoria molempien havaitsemiseen.
Kuva 2 näyttää C-tyypin UFP-liitännän 3 ampeerin virrantunnistuksella.
Kuva 2. USB 3.0- tai 3.1-järjestelmän UFP-liitäntä 3 ampeerin virrantunnistuksella.
Liitännässä voidaan käyttää mitä tahansa USB-yhteensopivaa USB 2.0- tai 3.1- ja 3.1-laiteporttia tai -keskitinporttia ja mitä tahansa standardia 24-nastaista C-tyypin liitintä.
UFP:n pitää liittää molemmat ohjaussignaalinastat (CC) maahan (GND) Rd-resistorin kautta. DFP-laiteliitännän täytyy toteuttaa Rp-ylösvetoresistori 5 tai 3,3 volttiin. Kun tehdään DFP-UFP-liitäntä, muodostuu resistorijakain, ja CC-nastan jännite voidaan mitata ja tämän perusteella tulkita liitännän tyyppi. Resistorin sijaan voidaan käyttää jännitepuristinta, mutta tällöin ei voida tunnistaa virransyöttö- eli latausmahdollisuutta.
Komparaattorit
UFP-liitännässä ei tarvita mikro-ohjainta, mutta CC-nastojen jännitteitä pitää monitoroida, jotta havaitaan liittimen suunta ja jos halutaan virransyötössä havaita, mikäli virta putoaa alle vanhojen USB-liitäntöjen tasojen. Tämä havaitseminen on yksinkertaista toteuttaa komparaattoreilla.
Yhdellä komparaattorilla CC1- tai CC2-nastassa ja 0,25 voltin referenssijännitteellä voidaan tunnistaa kaapelin suuntaus. Jos esimerkiksi Vbus-nastaan tulee virta ja CC-johto on liitetty CC1-nastaan, ei komparaattorin lähtöä voida esittää ja UFP tietää, että kaapeli on liitetty kääntämättömässä suunnassa (unflipped). Jos Vbus-nastaan tulee virta ja CC-johdin on liitetty CC2-nastaan, ja CC2:n jännite ylittää 0,25 volttia, komparaattorista saadaan lähtö ja UFP tietää, että kaapeli on liitetty käännetyssä asennossa.
Mikäli tarvitaan suurempaa kuin vanhan USB:n virtaa, voidaan käyttää lisäkomparaattoreita tunnistamaan DFP-portin virtakyvykkyys. C-tyypin määritelmä määrittää jänniteskaalan CC-nastassa, joka signaloi DFP-portin virtakyvykkyyden.
Latausvirran havaitsemisen mittaaminen täytyy estää ennenkuin DFP-virran ilmoitus voidaan kvalifioida. Kun tämä tunnistus on kvalifiointi, pitää UFP-portin säätää kuormansa.
Signaalin multiplekseri
USB-signaalien liittämiseen C-tyypin liittimeen on useita vaihtoehtoja ja USB 2.0-, 3.0- ja 3.1-sovellusten välillä on pieni eroja.
Jykevin – tai robustein – menetelmä USB 2.0 -sovelluksille on käyttää USB High-Speed -kytkintä kontrolloimaan USB-signaalien reititystä. Microchipin USB3740-kytkin on kustannustehokas laite tähän käyttötarkoitukseen ja se tuo mukanaan monia etuja: äärimmäinen ESD ±15kV, pieni virrantarve 5µA (on) ja 1µA (off), off-tilan eristys alle -40 bB, suuri kaistanleveys jopa 1 gigahertsiin asti, signaalin eheyden säilyttäminen ja pieni kotelo (1,3 x 1,8 mm), sekä 10-nastainen DFN-kotelo 0,4 millin nastoitusvälillä.
Yksinkertainen menetelmä on liittää liittimen DP- ja DM-nastat yhteen (oikosulkuun). Tällöin vain yksi DP-DM-pari kerrallaan on liittimessä aktiivinen.
Tämä toteutus kuitenkin heikentää USB-signaalien eheyttä, koska USB-johtimet täytyy haaroittaa. Ainoa käyttökelpoinen vaihtoehto USB 3.0- ja 3.1-porteille on käyttää Super-Speed USB 3.0- ja 3.1-kytkintä USB-signaalien reitityksen ohjaamiseen, ks. kuva 3.
Kuva 3. Lohkokaavio USB 3.0- ja 3.1-liitännästä, joka käyttää Super-Speed -multiplekseriä.
Vaikka USB-portin toteutuksen kustannus voi kasvaa merkittävästi C-tyypin liitinmäärityksen myötä, edulliset suunnittelut ovat mahdollisia. Kuten edellä on kuvattu, C-tyypin perustason USB-liitäntä voidaan toteuttaa muutamalla erilliskomponentilla.
Kun suurteholaskennan (HPC) työkuormat monimutkaistuvat, generatiivinen tekoäly sulautuu yhä tiiviimmin moderneihin järjestelmiin ja lisää kehittyneiden muistiratkaisujen tarvetta. Vastatakseen näihin muuttuviin vaatimuksiin ala kehittää uuden sukupolven muistiarkkitehtuureja, jotka maksimoivat kaistanleveyden, minimoivat latenssin ja parantavat energiatehokkuutta.
