usb type c接口有可能成為未來(lái)多數筆記本電腦、智能手機的唯一數據接口，但這些僅支持usb接口的設備仍必須與那些非usb接口的設備進(jìn)行交互，比如顯示器、電視機等。因此，設計人員需要考慮如何在單個(gè)連接器中實(shí)現USB和其他高速接口的轉換，其中涉及到切換引腳功能、提供諸如ESD的外部瞬變保護以及維護信號質(zhì)量等問(wèn)題。usb type c標準通過(guò)定義備用模式（Alt Mode）來(lái)滿(mǎn)足這些需求，這種方法能夠動(dòng)態(tài)地更改引腳的功能，從而支持非usb的數據傳輸協(xié)議。

本文對各類(lèi)標準進(jìn)行了介紹，有了這些標準，usb type c才能連接到HDMI或其他非usb形式的數據接口。本文中還包含將HDMI備用模式增加到usb type c接口時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題。

usb規范介紹 

HDMI Forum于2016年底發(fā)布了usb type c備用模式規范，此最新版usb標準共包括以下三個(gè)部分：

usb type c接口規范在我們所熟知的type c和type b規范基礎上進(jìn)行了大幅度的修改。對于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)，有兩點(diǎn)改動(dòng)需要注意：

type c接口尺寸為8.3mmx2.5mm，較之usb type a和type b小了很多，但卻包含24個(gè)引腳，之前的版本只有4個(gè)引腳。

type c接口支持正反逆插，這是因為type c接口采用了對稱(chēng)結構，無(wú)論哪一面在上，所有的信號引腳都處在相同的相對位置上。

usb type c還可以通過(guò)D+/D-和VBUS/GND引腳與傳統的usb 2.0系統進(jìn)行交互。其引腳布局還包括其他兩個(gè)規范中定義的新功能引腳（包括備用模式）。圖1顯示的是type c接口標準和備用模式引腳映射。

圖1：顯示備用模式映射的usb type c引腳布局

usb type 3.1規范更新了usb的電氣性能，規定數據傳輸速率可達到10Gbps（規范中稱(chēng)為SuperSpeed+）。此類(lèi)接口需要兩個(gè)專(zhuān)用的高速數據差分引腳對TX和RX，而且供電標準提升至5V/150mA。

usb供電規范（USB PD）規定了備用模式下的工作方式，能夠支持最高100W的充電功率，并極大地提高了供電能力。當與usb type c線(xiàn)纜一起使用時(shí)，USB PD允許兩個(gè)設備進(jìn)行雙向充電。根據type c配置通道（CC）引腳上的通信，甚至還可以隨時(shí)改變充電方向。

盡管這三個(gè)規范是相互獨立的，但支持HDMI的usb系統必須同時(shí)符合type c和USB PD規范。此外，每個(gè)重新映射的引腳必須能夠支持其對應的HDMI 1.4協(xié)議的數據傳輸速率。

HDMI 1.4共有六個(gè)以四種不同數據速率運行的數據通道：

HDMI以太網(wǎng)和音頻回傳通道（HEAC）：支持100Base-TX（100Mbps）以太網(wǎng)的高速雙向數據通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1標準的流媒體音頻組件。

TMDS（最小化傳輸差分信號）：三個(gè)用于高速視頻和數據傳輸的差分通道。HDMI 1.4的最大數據吞吐率為10.2Gbps或單通道3.4Gbps。

DDC（顯示數據通道）：基于行業(yè)標準I2C協(xié)議的通信通道，標準速率為100 Kbps，能夠讓源設備識別支持的音頻/視頻格式。

CEC（消費端電子控制）：為低速數據通道，允許用戶(hù)控制多達15個(gè)兼容設備。此數據通道符合CENELEC EN 50157-1規范。

HDMI引腳映射標準HDMI Type-A接口如圖2所示。圖3顯示的是支持HDMI備用模式的全新usb type c連接器接口引腳定義，它將三個(gè)TMDS引腳對及其時(shí)鐘信號映射到八個(gè)USB TX/RX引腳上，兩個(gè)SBU引腳連接HEAC通道，CC引腳則用于傳輸低速CEC信號。另外還需注意，D+/D-引腳對并不會(huì )受此轉換影響，因此USB 2.0數據通道可以和HDMI和平共處。

圖2：HDMI Type-A接口共有19個(gè)引腳，其中有三個(gè)高速數據通道用作屏蔽雙絞線(xiàn)

圖3：usb type c備用模式接口中HDMI模式下的引腳映射初始化HDMI備用模式 USB PD規范定義了進(jìn)入備用模式所需的操作順序。當用戶(hù)在兩個(gè)USB PD端口之間連接一個(gè)主動(dòng)type c線(xiàn)纜時(shí)，會(huì )在CC通道上執行一系列協(xié)商（圖4），來(lái)確定是采用usb模式還是備用模式，以及應用哪種備用模式標準，并使用一組特定的供應商定義消息（VDM）來(lái)確定要使用的標準。

圖4：當USB PD端口首次識別出另一個(gè)USB PD端口的存在時(shí)就會(huì )進(jìn)行協(xié)商，從而確定采用哪種傳輸協(xié)議及數據格式，該協(xié)商過(guò)程中還涉及其他USB PD功能，比如確定所需的功率級別以及電力傳輸方向，但HDMI操作并不需要這些功能。一旦初始化序列確定了HDMI為所需協(xié)議，這兩個(gè)端口就會(huì )根據需要重新映射引腳，進(jìn)入HDMI備用模式。

HDMI備用模式架構 

若要usb type c接口支持HDMI，需要增加哪些硬件組件呢？圖5顯示的是USB PD接口的結構圖，并標出了備用模式的必備組件。請注意，即使應用沒(méi)有指定USB PD接口的功率級別，啟用備用模式也需要通過(guò)CC線(xiàn)路進(jìn)行協(xié)商，因此必須包含USB PD PHY和PD管理器：

備用模式物理層設備（PHY）接收高端圖形處理單元（GPU）的視頻信息，并對其進(jìn)行編碼以通過(guò)三個(gè)TMDS差分數據線(xiàn)路傳輸。

備用模式多路復用器（MUX）支持在HDMI備用模式和USB兩種模式之間進(jìn)行切換。對于HDMI應用，它將HDMI信號傳輸給相應的type c接口引腳；對于usb 3.1應用，它連接的是RX/TX信號，并根據數據傳輸方向進(jìn)行切換。

圖5：通過(guò)usb type c連接器接口實(shí)現備用模式需要兩個(gè)額外的模塊，如圖中綠色部分所示實(shí)際實(shí)現方法 

HDMI 備用模式規范是全新的，因此專(zhuān)門(mén)為這類(lèi)應用而設計的芯片組仍然還處于開(kāi)發(fā)階段。不過(guò)目前已經(jīng)推出了DisplayPort備用模式元件，并可與HDMI轉換器配合使用。圖6顯示的是同時(shí)支持usb、HDMI備用模式以及完整USB PD規范的usb type c端口框圖。

圖6：usb type c/HDMI端口框圖

此設計由下面兩款基礎元件構成：

第一款是Texas Instruments的TPS65982獨立式usb type c和PD控制器，用于執行以下多項任務(wù)：

檢測usb type c線(xiàn)纜的插入狀態(tài)與插頭方向

協(xié)商供電特性，并通過(guò)I2C協(xié)議將信息傳遞給微控制器單元，從而決定采用哪種操作模式

配置多路復用器的備用模式設置，將usb或HDMI信號傳送給相應的目標設備

在運行期間，TPS65982還會(huì )對USB供電路徑進(jìn)行管理和控制

第二款是Texas Instruments的HD3SS460是一款4x6通道的高速雙向無(wú)源多路復用器/解復用器開(kāi)關(guān)，可以在備用模式和usb模式間切換，同時(shí)支持接口翻轉。

此外，還有一個(gè)視頻轉換器，用于將DisplayPort信號轉換為HDMI格式。