【科普】USB Type-C是什么?

【科普】USB Type-C是什么?

近年来,随着电子产品尺寸的轻薄化,我们使用的数据接口也在一点点“轻薄化”。很多老旧的接口,也因为电子产品厚度问题无法使用而被淘汰。

现在我们看到的很多接口,基本都是有尺寸更小的版本,比如HDMI有mini-HDMI和microHDMI,USB同样也有mini-USB和micro-USB。


这些尺寸更小的版本,刚好可以用于轻薄类的产品中。

不过,对于USB来说,micro-USB并不完美。

上图所示的micro-USB,实际是USB 2.0的便携版本。随着USB版本的带宽提升,新的USB3.0无法兼容曾经的micro-USB形式,经过改进后变成了这样:

虽然厚度上和micro USB 2.0是一样的,但它变长了不少。对于这种为了“便携”的接口来说,长度的增加无疑会影响使用,也非常不美观。为何非要这么设计呢?

因为它想要兼容性。

仔细观察,这个micro-USB 3.0实际上是由两段组成的,较长的那部分实际上跟micro-USB 2.0是完全一致的。也就是说,这个接口,是为了向下兼容micro-USB 2.0才做成了这样。

不过这也是可以理解的。USB最大的特点就是兼容性,这么多年的版本更新,老设备依旧可以插上使用,强大的兼容性使得USB最终成为了电子产品中无法替代的存在。


可惜,这种接口保证了兼容性,却丧失了它原本存在的意义。现有电子产品中,除了移动硬盘盒外,几乎看不到它的存在,除了三星note3,平板和手机几乎都见不到它的存在。市场的选择证明,micro-USB 3.0的设计是失败的。

USB已经离不开人类了,总不能一直都使用micro-USB 2.0吧?现在急需一个新的USB版本,在保持micro-USB 2.0尺寸的同时,还能够拥有更高带宽来传输数据。


于是,USB Type-C出现了。



以下为维基百科的概念解释:

USB Type-C,又称USB-C,是一种通用串行总线(USB)的硬件接口形式,外观上最大特点在于其上下端完全一致,与Micro-USB相比这意味着用户不必再区分USB正反面,两个方向都可以插入。


谈到形式,刚才所说的mini-USB和micro-USB也算是这样,但这两个相对于标准USB来说的。而这个标准USB,其实它的名字叫USB Type-A。


这个图大致解释了不同形式的USB,可以看到,不同版本(2.0/3.0)对应的这些接口是有差别的,基本上USB 3.0时代都是为了兼容USB 2.0才做成了这样。


Type-A的USB 3.0和2.0形状一致,并且设备也可以相互兼容,而Type-B就不同了,2.0版Type-B的接线可以插到3.0版接口上,但是反过来就不行。

提到接线和接口,这里还要科普一下什么是公口和母口。

将设备连接到电脑上时,一般电脑上的接口叫母口,而连接线的接口叫公口。通俗点说,公口就是要“插入”的口,而母口是“被插入”的口。至于为何这么叫,上上张图里也提到了“Male”,想必是老外很早就这么区分了,用“形象”的比喻更容易理解。


正如刚才所说的,Type-B的母口做到了向下兼容,但公口却无法向下兼容。这就是USB新版本迭代所导致的兼容性降低,现在也就只有Type-A能做到双向兼容了。

这种形势下,USB不得不去考虑做一个新的形式,Type-C就是这么来的。


USB Type-C是跟随USB 3.1标准一起提出来的,由于它是新出现的形式,TypeC其实不存在“兼容”老设备的问题。


前面的解释中一直提到“版本”这个词,其实有些地方会容易引起歧义。像Type-A、Type-C这种的叫USB接口形式的版本,而2.0、3.0这些叫USB接口规范的版本。


举个例子,一件衣服,它的外观设计类比于前者,而尺寸大小和材质类比于后者。前者使得USB可以适用于各种设备上,根据设备的特征来制定形状,例如Type-B就是常见于打印机上,个人推测这种接口稳固性更高,传输数据时也就保证了稳定性;而后者,是USB组织想要适应时代的发展来提升USB本身的功能。最直观的提升,就是每一代USB都能把带宽提高很多,USB2.0理论带宽480Mbps,而USB3.0则是5Gbps,翻了很多倍。


要介绍USB Type-C有哪些功能和特性,不得不先说说USB 3.1的规范中增加了哪些东西。

  • USB 3.1分为Gen 1/Gen 2两种,USB 3.1 Gen1是USB 3.0的改名,也就是说完全没变化。市面上所有未提及Gen 1/Gen 2区分的,一般都代指USB 3.1 Gen2。

市场中对USB 3.1的宣传十分混乱,大多厂商在文案中还在使用“USB 3.0”,对Gen 1/Gen 2不做区分,评测室考虑到小白的接受度也不得不用USB 3.0来称呼。这种糟糕的情况,锅不得不甩给USB组织。

当初发布USB 3.1规范时,并没有提及Gen 1/Gen 2的区分,甚至发布Type-C接口时也没有区分,结果后来突然改口,把USB 3.0强行归入USB 3.1家族中,然后为了区分“真正的”USB 3.1就把Gen 1/Gen 2引入……

所以大多厂商和媒体估计都习惯了以前的说法,没有及时改正,小白更是无法区分。


  • USB 3.1 Gen 2的带宽为10Gbps,比USB 3.0高了一倍。

这个提升跨度并不大,甚至可以说有点鸡肋。一方面,大多数USB设备都用不到3.0的极限,另一方面,如果确实需要更大带宽的话,这么点提升想必也还是不够用的。举个例子,现在USB设备里能够到极限的,最常见的是移动固态硬盘,但这是SATA3转USB 3.0,带宽6Gbps转5Gbps,也算是有点损失吧,但变成了6Gbps转10Gbps(SATA3转USB3.1 Gen 2)后也并没有多少变化,说明瓶颈的不是接口版本,而是转接芯片的性能。

非要说有没有能够体现10Gbps的话,也还是有的,之前就出现过2个M.2固态组RAID 0后转接USB 3.1 Gen 2的,这样就比USB 3.1 Gen 1速度快很多了……但还是意义不大,没见几个正常人在用。


  • 编码标准变化,从8b/10b升级为128b/132b,极大的降低了编码损耗率。

原来的USB3.0,每传送10bit的数据,实际其中只包含了8bit的“真实数据”,这么做是为了让信号DC平衡。直观的结果,就是带宽上的损失,实际只能负载80%,编码损耗率20%。

而USB3.1将编码标准提升为128b/132b,这样实际的负载就是约97%,编码损耗率仅3%。

前面的一个特征,是从5Gbps提升到10Gbps,如果算上这个特征的话,USB 3.1 Gen 1和Gen 2的实际带宽差距可以达到1.42倍,也就是说,隐藏的带宽提升有将近50%。

这样一看,似乎新的接口提升没有那么小……


  • 影音传输(USB AV)带宽增大,匹及HDMI1.4。

这个功能其实在USB2.0时代就有了,利用USB的带宽来传输视频信号。注意这里跟TypeC接口的DP视频输出以及雷电3兼容的DP视频不是一个概念,两者压根不是一个东西,这个USB AV是利用USB总线来传输视频信号,占用带宽,而后者是直接让TypeC变成“DP接口”,跟机器的另外芯片连接的,跟USB总线没关系,也不占用带宽。



不过这个功能相关的资料太少,似乎这种USB显示器连接后系统会多出来一个显示设备,显示的画面延迟也很大,会因为带宽的不足影响画面显示。

要区分是不是它很简单,这个功能是可以跟TypeA接口连接使用的,而TypeC的视频输出则不能用,强行使用转接口会提示DP连接设备异常。


  • 电力输出可达到100W。

上图是USB3.1的供电范围,可以看到电压也不再拘泥于5V了,还有12V和20V两档,电流最大可达5A,确实很恐怖。不过考虑到主板的供电能力,这个规范目前仅仅是“可以达到”,要想每一个USB接口都有这供电能力,恐怕笔记本的电源适配器都要爆炸了……

要支持这么高功耗,还需要它支持USB PD(USB Power Delivery功率传输协议),这是要额外芯片提供的,自然也就没什么机器可以支持到这么高功率了。估计也就部分机器的某个USB3.1接口(某个TypeC)才能支持更大的功率输出,而且能到100W的可能性极低。


TypeC作为USB3.1之后新推出的接口,自然也支持上述的所有特性,不仅如此,它还有专属的特点:

  • 支持正反插。

虽然历代USB都有防插反设计,但这并不能防止“大力出奇迹”后的悲剧……于是乎这次从源头解决问题,正反插都能用,再也不会遇到插USB时要试一次后才能插进去的尴尬。

如图所示,typeC有24个引脚,每一边12个。没有连接时,两边的引脚定义是中心对称的,所以typeC正反插时都是一个情况。当然这个定义不是一直都这样的,连接后会根据识别情况发生变化。


  • 支持替代模式(Alternate Mode/Alt Mode)。

支持替代模式的前提,是机器已经搭载了支持USB PD协议的芯片,就是刚才提到的那个可以增大功率输出的玩意。

替代模式这个说法估计没有多少人知道,但是有了它之后,支持的功能就是大家所熟知的东西了——

雷电3

上图就是列出的一些替代模式下可以实现的功能。这些功能都不是USB3.1给予的,它只是被替代模式识别后转接到了其他芯片上实现的而已。

不过即便如此,TypeC的用途也由此向前迈进了一大步——虽然我自己做不到,但我可以利用这个接口转接到其他支持的芯片上啊!这样一来,统一接口就十分可行了,大家都长成“TypeC”模样的设备,以后电脑都不需要其他接口了,就算需要支持其他设备,只要这个设备可以用替代模式来实现,就没问题了。

USB组织确实在下一盘很大的棋。


讲到这里,有关TypeC和USB 3.1的科普知识讲的就差不多了,估计大家看一遍也无法全部搞懂,没关系,我也是,谁闲着没事把这些全塞进脑子里……


不过在关闭窗口前先等等,我需要强调一件事:

以上所有的特性,TypeC接口全部都是可配置的。

换句话说,

TypeC接口≠全部新功能(10Gbps带宽、雷电3、100W供电等)

举个例子,typeC就像是衣服,女装≠萌妹,谁都可以穿女装……

现在的很多手机使用了TypeC接口,然而实际上这些USB只能到2.0。入门级游戏本以及绝大部分超极本上的TypeC,通常都只是USB3.0,顶多再支持一下DP视频输出,只有极少数高端本才能支持雷电3和其他特性,但厂商从来不会给你把TypeC能支持的不支持的给你介绍全了。


那么问题来了,如何判断某个设备上的Type-C具有哪些功能呢?

有些遵从规范的PC厂商,会在USB接口旁边印上支持功能的标识,比如USB 3.1 Gen2就会写“10G”,雷电3的话就是这个样子:

不过注意,这个标识不是完全的“闪电”符号,末端还有一个箭头标识。

有些TypeC接口会标注这个闪电符号,末端没有箭头,这是支持关机充电的意思,不是雷电3,别搞混了。

不过大多厂商为了美观,不会在TypeC旁边标注这些东西,此时我们只能靠自己来测试了。

是不是USB3.1 Gen2,接个支持的设备看看有没有USB 3.1控制器就知道了,通过南北桥识别的控制器名称也能判断机器是否支持雷电3。最后是否支持DP视频就用显示器插一下即可。


但这么做对于普通消费者来说真的是很烦人,凭啥非得要买回来才知道?

所以,评测的意义就来了……我们也在尽力将这些厂商不标注,但对于消费者来说有必要知道的信息公布出来,防止大家因为信息不对称问题遇到麻烦。


总之,消费者以后遇到宣传“TypeC”的时候,心里都要提醒自己,这个宣传不可全信,它真正支持什么功能,还需要实际评测的考验。

发布于 2017-09-13

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