USB Type-C介面的模式介紹與操作流程 | GraniteRiverLabs Taiwan

Granite River Labs, GRL
鄭煒 Wayne Cheng

在USB Type-C介面中，除了支援USB訊號傳輸，也能應用在其他傳輸介面上，比如：Thunderbolt™、DisplayPort和USB4等，不同的傳輸介面在端口上腳位的配置也有些不同，可以參考下圖：

圖1: USB-C Receptacle Front View

圖2: Thunderbolt™ / USB4的腳位配置

圖3: DisplayPort的腳位配置

了解腳位配置的不同後，下方為大家介紹各種模式的進出方式與流程．

Enter Alternate Modes介紹

在PD溝通的定義中，這些相容的傳輸介面稱為Alternate Modes，DFP會發出Enter Mode和Exit Mode訊息給UFP做為Alternate Modes的開始以及結束。整個Enter Mode的流程可以分成幾個階段：

1. DFP會先發出Discover Identity Request訊息來確認UFP的身份和能力，在UFP回覆的Discover Identity ACK訊息中有個Modal Operation Supported的欄位，用來表示UFP是否支援Alternate Modes。
2. Discover階段可以分成兩部分，第一階段DFP會先發出Discover SVID Request訊息來確認UFP支援多少Alternate Modes。SVID包含由協會制定的SID和協會所提供各家廠商的VID，常見的SVID有0x8087 (Thunderbolt mode)、0xFF01 (Displayport mode)。確認UFP回覆的SVID後，第二階段DFP會發出Discover Modes訊息，其中包含DFP支援的SVID，目的是為了確認雙方都有支援這些Mode，UFP會以Discover Modes Ack訊息來表示有支援。
3. DFP發出Enter Mode來告知UFP要切換的Mode，確認到UFP的Enter Modes Ack訊息後，雙方切換成溝通好的Mode。直到要結束工作模式，DFP會以Exit Mode訊息來告知UFP。

整體流程如下圖所示：

圖4: Enter Alternate Modes的流程

VDM訊息

VDM (Vendor Defined Message)是由產品的設計者來定義，而值得注意的是，在VDM的溝通過程中，以下的情況會讓雙方切換回USB Mode：

1. 任何一方發出Hard_Reset訊息，PD重新溝通。
2. 雙方的連接被中斷或是傳輸線被拔掉。
3. DFP發出Cable Reset訊息導致傳輸線切換回原本的狀態。

整個Enter Mode的流程是可以被中斷的，過程中雙方可能隨時會發出PD訊息 (ex : PD溝通、Power Role Swap、Data Role Swap etc.)，這時候被中斷的VDM 訊息會被視為傳輸錯誤，雙方會先完成PD的訊息溝通，再重新發出被中斷的VDM訊息，如下圖， Enter Mode的流程被DFP的Source_capabilities中斷，這時雙方會先進行一次PD溝通，接著DFP會重新發送Enter_Mode訊息來完成流程。但需要注意的是，VDM訊息不能中斷PD的訊息。

圖5: Enter_Mode訊息被中斷的流程

USB4與Enter_USB訊息

隨著USB4介面的推出，USB協會在PD溝通協議中新增了Enter_USB訊息讓支援USB4的產品能夠進入這個特殊的工作模式。會由Host端或是有PD能力的Hub的DFP發出Enter_USB Request給UFP，而UFP會以Accept / Reject訊息來決定整個過程是否繼續。在DFP發出Enter_USB Request之前，必須要先確認雙方都有支援USB4，確認的程序與流程圖如以下：

1. 雙方先確立初期的Power / Data role。
2. Power Source端提供 VBus和VCONN。
3. Power Source 和 Sink建立PD溝通。
4. DFP藉由Discover Identity (SOP)來確認UFP是否支援USB4。
5. DFP藉由Discover Identity (SOP’)來確認傳輸線是否支援USB4。
6. 假如雙方都是DRD (Dual-Role-Data) ，DFP和UFP都可以發出Data Role Swap來交換Data Role。

流程如下圖所示：

圖6: Enter_USB的流程

確認DFP、UFP和傳輸線都支援USB4之後，DFP會分別對UFP和傳輸線發出Enter_USB Request，順序分別是：SOP’→ SOP” (若傳輸線有二個E-marker) →SOP，若使用的線材是被動式，SOP’和SOP”的Enter_USB Request是不需要的。要結束整個工作階段時，DFP或UFP端會發出Data Reset訊息來重置USB的溝通和結束Alternate Modes。另外，在USB4的工作模式中以下的行為是可以允許的：

1. PD溝通可以重新建立
2. 以Data Reset訊息切換工作模式 (ex : 從USB4切換到USB 3.2或是Alternate Modes)
3. 不需要重新配置腳位即可相容Alternate Modes的模式

結論

最後，我們來總結一下整個Enter mode的過程：

1. DFP在Enter Mode前須經過一連串的訊息來確認彼此是否支援Alternate Modes，若UFP回覆Enter mode NAK，雙方會繼續維持在USB Mode。
2. Enter Mode的流程可以被PD訊息中斷，但VDM訊息不能中斷PD的訊息溝通。
3. DFP可以藉由Enter_USB訊息與UFP進入USB4的工作模式

作者希望藉由這篇文章讓讀者們更加了解USB Type-C介面Enter Mode的流程，並進一步認識USB4；也可以透過本文章內容規避韌體設計上可能遇到的溝通協定錯誤。

參考文獻

1. USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.4, April 2022
2. Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1 May 2021

作者
GRL 台灣測試工程師 鄭煒 Wayne Cheng

畢業於國立清華大學生醫工程與環境科學研究所。

具Power Delivery 相關測試經驗，熟悉 Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC （Qualcomm Quick Charge） 等測試規範。希望能夠協助客戶PD相關問題，以順利取得認證。

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         

發佈日期 2022/06/15 AN-220615-TW