USB-C: alle ins en outs

Alieke van Sommeren
0

Inhoudsopgave

Hoe meer je met een technologie moet kunnen, hoe complexer hij wordt. Dat geldt zeker ook voor USB-C. Universal Serial Bus, de naam zegt het al, moet diverse rollen vervullen. Als gebruiker kun je hiermee gegevens uitwisselen met randapparaten, verbinding maken met monitoren of bijvoorbeeld je telefoon opladen. Maar hoe werkt dat allemaal?

USB-C: één universele aansluiting waarmee je alles kunt doen wat je maar wilt. Waar dit voor eindgebruikers het ultieme gebruiksgemak is, lopen bij hardware-ontwikkelaars de koude rillingen al over de rug als ze er aan denken, want er zijn allerlei manieren waarop dit spaak kan lopen.

Daarom heeft het Universal Serial Bus Implementers Forum (USB-IF) voor elke toepassing sub- en alternatieve specificaties geschreven. Die moeten allemaal in een enkel apparaat worden samengevoegd om alles ook echt universeel te kunnen laten werken. Of zoals Brad Saunders (een van de drijvende krachten achter USB-C) het op de CES 2017 zo treffend zei: “We’ve created a little bit of a beast”.

Omdraaien niet meer nodig

Het meest praktische pluspunt van USB-C als je er dagelijks mee werkt, is dat je niet hoeft op te letten hoe je de stekker in de poort steekt. Hoe je de stekker ook draait, hij past gewoon. Je hebt dus geen last meer van het gestuntel zoals bij de oude usb-stekkers, waarbij je als je niet goed kijkt drie pogingen nodig lijkt te hebben om hem aan te kunnen sluiten (‘usb superposition’).

De type-C-poort is geheel symmetrisch opgebouwd vanuit een centraal punt binnen de in totaal 24 pinnen (zie de afbeelding). In het midden zitten de USB 2.0-pinnen (D+/D-), aan de buitenkant de massa (GND) en daartussen twee datalijnparen (RX1/TX1, RX2/TX2), vier verbindingen voor de stroomvoorziening (VBUS), twee pinnen voor het Control Channel (CC1, CC2) en twee SideBand Use-pinnen (SBU1, SBU2) als reserve voor toekomstige uitbreidingen of alternatieve gebruiksmodi.

Tegenpolen

In de type-C-stekker zitten de bijpassende tegenpolen, maar daarvan zijn de acht middelste pinnen niet symmetrisch. Het is expliciet vastgelegd welke van de beide CC-pinnen van de poort daadwerkelijk voor het controlekanaal gebruikt wordt. De andere is voor VCONN, een extra stroomvoorziening voor elektronische onderdelen in de kabel.

Via het toewijzen van CC1 of CC2 aan de kant van het apparaat en CC aan de kant van de kabel bepaalt een apparaat op welke manier de kabel in de poort zit. Dat is belangrijk om bijvoorbeeld de usb-datalijn op de juiste van de twee opties in te instellen: USB 3.x gebruikt RX1/TX1 in de kabel, het tweede paar blijft ongebruikt.

Anders dan bij het klassieke USB zit er altijd een multiplexer in het pad tussen de usb-host-controller en de daadwerkelijke poort of tussen de poort en het usb-eindpunt. Aangezien een kabel met twee type-C-stekkers aan elk eind op twee manieren ingeplugd kan worden, moet er aan beide kanten worden bepaald hoe de stekker ingeplugd is en de pintoewijzing worden geregeld.

Die toewijzing is in principe vrij simpel, maar zorgt toch voor problemen: dat zie je bijvoorbeeld bij de test van type-C-minidocks op pagina 96 van c’t 5/2017. Het zonder problemen overzetten van data werkte bij meerdere combinaties alleen goed als de stekker op een bepaalde manier in de poort werd geplugd.

Andere modi / Alternate Modes

USB-C was vanaf het begin af aan bedoeld voor meer dan alleen data via usb. Het moet ook overweg kunnen met Alternate Modes. Dat soort afwijkende pinindelingen worden onder meer gebruikt voor DisplayPort (DP-Alt), MHL (MHL-Alt), Thunderbolt 3 (TB-Alt), PCI Express (PCIe-Alt) en sinds kort voor HDMI (HDMI-Alt).

Het dataverkeer moet dan op een andere manier dan bij de normale usb over de draden gestuurd worden. Dat verloopt via het Control Channel. Volgens de type-C-specificaties mogen niet alle pinnen gewijzigd worden. VBUS en GND zijn bedoeld voor de stroomvoorziening en vanwege de veiligheid zijn die niet te wijzigen. De CC-pinnen zijn per se nodig voor het herkennen van de manier waarop de stekker is ingeplugd en de Alternate Mode. Ook USB 2.0 blijft altijd beschikbaar.

Voor de Alternate Modes zijn daardoor nog altijd tien draden beschikbaar, namelijk de vier RX/TX-pinnen en de twee SBU-pinnen. Hoe die gebruikt worden, staat in de specificaties van de Alternate Mode. DP-Alt geeft aan dat de vier DisplayPort-lanes worden verdeeld over de RX/TX-paren en het extra AUXkanaal (AUX+, AUX-) via SBU1 en SBU2 loopt.

 

Alternatieven voor alternatieven

Omdat dit alleen bij zeer hoge resoluties gebruikt wordt (zelfs 4K op 60 Hz is via twee DisplayPort-lanes te versturen) is er nog een andere DP-Alt-manier. Daarbij blijven RX1/TX1 USB 3.x-signalen sturen. De twee DisplayPort-lanes lopen dan via RX2/TX2 en AUX via SBU (zie de afbeelding). In alle type-C-adapters en -docks  die te krijgen zijn, wordt die tweede alternatieve modus voor DisplayPort gebruikt.

 

Tests van type-C adapters en- docks (pagina 96) c't mei/2017

Door parallel zowel usb-data als DisplayPort-videosignalen te kunnen versturen, zijn ze perfect voor docking-oplossingen. Dat is ook meteen een verklaring waarom de usb-snelheid wel eens terugzakt naar USB 2.0 als je een 4K-monitor op 60 Hz in plaats van 30 Hz gebruikt. Het videosignaal laat zich alleen maar over twee DisplayPort-lanes sturen als de lanes in HBR3-modus draaien. Als de andere kant alleen het oudere HBR2 ondersteunt, zijn er vier lanes nodig. Dan zijn er geen type-C-pinnen meer over om USB 3.x-snelheid te halen.

HDMI ≠ HDMI-Alt

Veel type-C-docks hebben een hdmipoort om een verbinding te maken met een monitor of tv. Dat betekent niet dat er HDMI-Alt voor gebruikt wordt. De pas eind 2016 goedgekeurde HMDI-Alt-specificatie is nog te nieuw en de bijbehorende controllerchips zijn er nog niet. In plaats daarvan worden de videosignalen via DP-Alt overgestuurd en dan in de adapter omgezet naar hdmi.

HDMI-Alt via type C zorgt voor extra complicaties aangezien het videosignaal dan met twee verschillende Alt-modi kan werken. Je loopt dan het risico tegen incompatibiliteiten aan te lopen als bijvoorbeeld de poort in je notebook alleen met DP-Alt overweg kan en je splinternieuwe tv alleen met HDMI-Alt. Het zou kunnen dat je sowieso problemen krijgt aangezien HDMI-Alt (in tegenstelling tot DP-Alt) wat liefdeloos in elkaar is gezet.

De specificaties hebben het in het gunstigste geval over transfers via HDMI 1.4, terwijl HDMI 2.0 al sinds eind 2014 bestaat. Begin dit jaar debuteerde zelfs de opvolger: HDMI 2.1. Daardoor zijn er nauwelijks redenen voor chipontwikkelaars en -fabrikanten om HDMI-Alt in de huidige vorm te gaan gebruiken. DP-Alt kan al overweg met DisplayPort 1.4. DisplayPort-signalen kunnen naar keuze via een adapter op een HDMI 2.0-poort worden aangesloten.

Alternatief voor de 3,5mm-jack

De type-C-poort moet een alternatief worden voor de 3,5mm-jack. De eind 2016 voorgestelde USB Audio Device Class 3.0-standaard voor usb-audio specificeert een Alt-mode om audiosignalen analoog via twee van de type C-pinnen door te sluizen. Dat is een uitzondering: alle andere Alt-modes werken alleen met digitale signalen. Op de langere termijn staat er voor usb-audio een compleet digitale oplossing op de planning.

Doorlezen is gratis, maar eerst even dit:

Dit artikel is met grote zorg samengesteld door de redactie van c’t magazine – het meest toonaangevende computertijdschrift van Nederland en België. Met zeer uitgebreide tests en praktische workshops biedt c’t de diepgang die je nergens online vindt.

Bekijk de abonnementen   Lees eerst verder

USB-PD

USB-PD usb-poorten (en micro-usb-poorten) hebben zich ontwikkeld tot de standaard om smartphones, tablets en veel meer apparaten op te laden. Dat gebeurde buiten het overzetten van data en versturen van alternatieve signalen via usb om. Voor smartphones en tablets is wel wat meer stroom nodig dan in de USB-C- specificaties toegestaan wordt.

USB 2.0 staat 500 mA toe, USB 3.0 900 mA, maar alleen als de verbindingen tegelijk met data bezig zijn. De in 2010 vervallen laadspecificatie USB-BC (Battery Charging) staat tot 1,5 A toe zonder parallelle activiteit. Zelfs dat is te weinig voor moderne smartphones. Daardoor is er een wildgroei aan snellaadmogelijkheden met propriëtaire technieken ontstaan.

Qualcomms Quick Charge werkt bijvoorbeeld met maximaal 2 ampère en verhoogt de spanning tot 12 V (QuickCharge 2.0) of 20 V (QuickCharge 3.0). Dat werkt echter alleen bij apparaten met een Qualcomm Snapdragon-SoC. Om de wildgroei wat in te dammen en de energiehonger van notebooks tegelijkertijd te kunnen stillen, laat USB-C tot 3 ampère toe.

Spannender

Parallel daaraan is de aanvullende specificatie USB-PD (Power Delivery) ontwikkeld. USB-PD staat officieel hogere spanningen toe: behalve 5V zijn dat 9V, 12V, 15V en 20V. Bij 20V mag de stroom oplopen tot 5A, wat een fors totaal van 100 watt oplevert. Bij de andere spanningsniveaus is tot aan 3A toegestaan. Het communiceren tussen de partners over welke spanning gewenst is, verloopt via de CC-pinnen van de stekker. USB-PD werkt dus niet bij oudere usb-poorten.

Bij dagelijks gebruik zorgen de verschillende opties qua spanning voor een nogal onoverzichtelijke wirwar. De richtlijnen voor het USB Charger-logo schrijven voor dat een adapter ook alle lagere spanningsniveaus beschikbaar moet maken. Een 45W-adapter moet dus niet alleen 15V en 3A kunnen leveren. We zijn nog geen adapter met dat logo tegengekomen.

Theorie en praktijk

De USB-PD-adapters die bij type-C-notebooks meegeleverd worden, houden zich normaliter niet aan de eisen van het optionele logo-programma. De adapter van de Asus Zenbook UX390UA biedt bijvoorbeeld 5V, 12V en 20V, die van Apples MacBook Pro 5V , 9V en 20V. Zelfs al kloppen de spanningen, dan is het bij dagelijks gebruik niet per se zo dat de adapters en notebooks van verschillende fabrikanten goed samenwerken.

HP gebruikt bij zijn Spectre 13 een propriëtaire herkenning. Zodra je een adapter van een andere fabrikant aan je notebook hangt, negeert het notebook die en werkt hij verder op de accu. Die blokkade geldt echter alleen bij een ingeschakeld notebook. Als hij uitstaat, laadt hij wel bij met een ‘vreemde’ adapter. Ook geeft de USB-PD-specificatie nergens aan hoe apparaten zich moeten gedragen als het stroomaanbod en de vraag niet matchen.

De specificaties zorgen er dan wel voor dat er niets kapot kan gaan omdat spanningsniveaus boven de normale 5V expliciet moeten worden aangevraagd. Het ontbreekt aan een richtlijn om notebooks die PD aankunnen via een smartphonelader op te kunnen laden die alleen 5V biedt.

Fabrikanten knutselen op eigen houtje

Sommige fabrikanten waaronder Apple hebben een optie om notebooks op te laden bij 5V. Een fabrikant mag zelf bepalen wat er gaat gebeuren als je bij apparaten met meer dan één USB-PD-compatibele type-C-poort twee adapters aansluit. Het apparaat kan de tweede adapter negeren of pas gaan gebruiken als de andere wordt losgekoppeld.

Een ander alternatief is een slimme herkenning die naar de tweede adapter overschakelt als die meer performance kan bieden. Of beide adapters tegelijk gebruiken, als de laadelektronica dat toestaat. Dat laatste is overigens een onhandige oplossing (die wel voldoet aan de standaarden) voor krachtige gaming-notebooks die meer verbruiken dan de USB-PD grens van 100 watt.

Door de complexe laadelektronica heb je dan toch liever een aparte aansluiting voor een krachtige adapter, ook al hebben de notebooks al wel type-C-poorten. Een officiële uitbreiding van de USB-PD- standaard voor meer dan 100 watt is niet meegenomen. Dat heeft als resultaat dat een aantal fabrikanten op eigen houtje de specificaties aanpast en met een eigen oplossing komt.

Net niet hetzelfde

De Dell XPS 15 wordt geleverd met een adapter van 130 watt met een ronde plug. De XPS heeft die power nodig om de accu ook volledig belast op te kunnen laden. De type-C-poorten op de notebook kunnen overweg met USB-PD, maar met een Dell-sausje: de grote docks van Dell zelf, zoals de TB15, sturen meer dan 100 watt door de type-C-verbinding. Ondanks die obscure oplossingen bij notebooks is USB-PD een oplossing om de wildgroei aan propriëtaire oplaadmethodes bij smartphones op te lossen.

QuickCharge 4.0 heeft nog wel de naam van de propriëtaire techniek, maar is technisch gezien een vorm van USB-PD. USB-PD is ook voor alle type-C-apparaten essentieel. Het maakt daarbij niet uit of er energie door de type-C-kabel gaat. De totale communicatie via de CC-pinnen is namelijk geen afzonderlijke usb-specificatie, maar een vast onderdeel van USB-PD. Op die manier leren de eindpunten alle mogelijkheden van de andere kant kennen, zoals de Alt-modi.

Usb-authenticatie

Een toekomstig doel voor het communiceren via de CC-pinnen is usb-authenticatie. Via cryptografische functies en certificaten kunnen type-C-apparaten zich identificeren richting de andere kant. Een mogelijke toepassing is het herkennen van ‘goede’ PD-laders. Mocht een notebookfabrikant alleen zijn eigen laders toestaan (zoals bij HP), dan wordt dat geregeld via certificaten. Dan kunnen de ‘eigen’ methodes van fabrikanten achterwege blijven.

Op steeds meer openbare plekken (vliegvelden, winkelcentra) vind je laadstations waar je je smartphone tussendoor kunt bijladen. Als je een type-C-smartphone met authenticatie-ondersteuning zo instelt dat hij alleen gecertificeerde adapters accepteert, weet je zeker dat aan de andere kant van de kabel een adapter van een bepaalde fabrikant zit en geen pc met snode plannen.

Praktisch zakelijk

Op zakelijk gebied zijn er meer toepassingen te bedenken. Tot nu toe is het standaard dat de usb-poorten van bedrijfsnotebooks uit veiligheidsoverwegingen volledig uitgeschakeld worden. Met usb-authenticatie kunnen beheerders heel precies bepalen welke soort usb-apparaten wel zijn toegestaan en welke niet. Dan kunnen bijvoorbeeld usb-sticks van de beheerders zelf of een bepaalde meettool die een gebruiker nodig heeft worden vrijgegeven.

EMCA

Het communiceren over de mogelijkheden op type-C-gebied verloopt via de beide eindpunten van een willekeurige type-C-kabel. Er zijn ook gevallen waarbij de kabel zelf moet aangeven dat hij meer kan. Die kabels worden elektronisch genoemd: EMCA (Electronically Marked Cable Assembly).

Kabels uit die categorie zijn dikker omdat ze bedoeld zijn voor USB-PD en 5A aankunnen in plaats van de normale 3A. Type-C-kabels die door een betere afscherming ook SuperSpeedPlus halen (10 Gbit/s), moeten dat nadrukkelijk aangeven richting de andere kant van de kabel. Anders wordt data slechts met 5 Gbit/s via de kabel verstuurd.

Adapterkabels

Ook andere soorten kabels moeten hun bijzondere eigenschappen expliciet melden. Dit geldt bijvoorbeeld voor Thunderbolt 3-kabels, waarvan de afscherming per RX/TX-paar geschikt moet zijn om 20 Gbit/s aan te kunnen. Alle adapterkabels die slechts één type-C-stekker hebben en aan de andere kant een niet-usb-formaat (bijvoorbeeld DisplayPort) vallen onder de EMCA-categorie. Daarbij moet de kabel het type-C-apparaat melden dat hij alleen voor die specifieke Alt-modus bedoeld is en zijn RX/TX-pinnen geen usb-signalen kunnen doorgeven.

USB-bridging

Met USB-bridging is er nog een specificatie voor hubs onder de grote paraplu van de USB-type-C-definitie komen te vallen. Die zorgt ervoor dat type-C-hubs niet zoals voorheen alleen de usb-datalijnen met elkaar verbinden. In plaats daarvan moeten de CC-communicatiepakketten via hubs op de juiste plek terecht komen. Dan kun je op de type-C-poorten van een hub meer dan alleen usb-apparaten aansluiten.

Is er bijvoorbeeld een USB-PD-adapter op een USB-C-hub aangesloten, dan zou het handig zijn als deze met een notebook dat op een andere poort is aangesloten kan onderhandelen over hoe veel energie deze nodig heeft. De energiebehoefte van een notebook ligt immers een aantal maal hoger dan die van de hub. Zover wij weten bestaat er nog geen type-C-hub die meerdere op allerlei manieren inzetbare type-C-poorten biedt.

Uitbreiding

De mini-docks in het artikel uit c’t 5/2017 pagina 96 accepteren via hun type-C-poorten alleen USB-PD-adapters. Dat is niet zo vreemd, aangezien de bridging-specificatie nog erg nieuw is en de hardware-implementatie verre van eenvoudig. Dat soort hubs moet niet alleen op PD-stroomvoorziening gericht zijn, maar ook snappen dat er niet altijd usb-data over de datapinnen gaan.

Een USB-C-hub met vier poorten kan in theorie een PD-adapter, een usb-apparaat en een via DP-Alt aangestuurde monitor bedienen, terwijl aan de vierde poort een notebook hangt die zijn accu oplaadt, het usb-apparaat kan gebruiken en de monitor aanstuurt.

Nog geen USB-D

De vele subspecificaties maken van USB-C zowel een veelzijdige als een complexe interface. De USB-IF heeft echter nog geen ambities voor een opvolger. Type-C blijft vooralsnog de enige echte universele poort voor alles.

(Florian Müssig, c’t magazine)

Monitoren voor USB-C in de praktijk (zie pagina 93) c't mei/2017

Meer over

USB

Deel dit artikel

Lees ook

Managed vs unmanaged VPS: waar ligt het omslagpunt?

Kies je voor ontzorging in de vorm van managed VPS of wil je liever volledige technische vrijheid in de vorm van unmanaged VPS? Dat is de vraag die je...

Wireshark netwerk analysetool vernieuwd: Npcap en meer

Wireshark is ongetwijfeld de meest gebruikte netwerk analysetool. We laten de belangrijkste vernieuwingen zien door de overstap naar Npcap en gaan in ...

0 Praat mee

avatar
  Abonneer  
Laat het mij weten wanneer er