轉自：www.wowotech.net
1. 前言
從1996年1月USB1.0正式發佈至今（2017年9月 USB3.2發佈），USB已經走過了21個年頭。在這21年的時間了，USB標準化組織（USB Implementers Forum，USB-IF）折騰出來了各式各樣、五花八門的接口形態：Type A、Type A SuperSpeed、Type B、Type B SuperSpeed、Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B、Micro-B SuperSpeed、Type C等等。
另外，USB接口主要由插座（Receptacle）、插頭（Plug）和線纜（Cable）三部分組成，再疊加上這些奇奇怪怪的規範，災難就發生了：A產品喜歡用Type A的插座，B產品偏偏喜歡Type B，連接它們的線纜就悲劇了，只能變成A-to-B的了。以此類推，A-to-A、B-to-B、A-to-MicroA、等等，於是我們的抽屜就擠滿了各種不明用途的USB線……
好吧，吐槽時間結束，因爲本文的主角不是過去的那些奇奇怪怪的接口，而是最新的、紅到發紫的USB-C（也稱作USB Type C）規範。提起typec，它還真和它的A、B前輩們不太一樣：因爲它有自己獨立的、自行演化的規範文件—-USB Type-C Specification（2014年發8月布1.0版本，2017年7月發佈1.3版本）。而前輩們就沒有這樣的待遇了，它們都依附於具體的USB規範（USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、等等）。
爲什麼會這樣的呢？當然是因爲它有獨特之處了，具體請參考本文後續的描述。
2. 概述
我們接着上面的問題講。
Type C之前的規範（Type A、Type B、等等），偏重於USB接口的“硬”的特性，如信號的個數、接口的形態、電氣特性、等等，這些特性一旦固定，就沒有更改的需求了，這就導致了：
1）這些接口規範不需要單獨存在（因爲沒有更新、演化的要求），“隨便”在USB規範的哪個章節交代一下就行了。
2）同時存在五花八門、種類繁多的接口（因爲不能更新、演化啊，一旦新需求出現，只能再搞一個新的了）。 到USB Type C的時候，USB標準化組織的這些傢伙突然開竅了（管他主動開竅還是被動開竅，反正是開竅了），在定義USB接口“硬”的特性的基礎上，增加了一些“軟”的內容，一下子就海闊天空了。至此，USB接口（僅僅指Type C）擺脫了和USB的從屬關係，變成了一個可以和USB規範平起平坐的新規範。
大家估計會很好奇，這傢伙到底Get了什麼新技能，從而成功上位了呢？讓我們簡單總結一下（注意其中黃色高亮部分）：
▲ 定義一套新的接口形態（Receptacle/Plug/Cable）
▲ 插座（Receptacle）可以用在很薄的電子設備上，因爲它的高度只有3mm
▲ 插頭（Plug）更容易使用了，可以正着插、反着插、隨便插、想怎麼插怎麼插，終於不再反人類了（想想之前，插一個U盤到電腦中：哦，好像插不進去，反過來試試；嗯？還是插不進去，再反過來試試；噢！終於插進去了……流汗中……）
▲ 線纜（Cable）也更容易使用了，兩端一模一樣（當然，爲了兼容、轉接舊有規範的除外），也是想怎麼插就怎麼插
▲ 插頭（Plug）和線纜（Cable）的改進，並不是一個空手套白狼的買賣，是要付出代價的，因爲需要一個稱作“Configuration Process”的過程解決如下的兩個問題：
□ 插頭可以隨便插，因而需要一套檢測插入方向的機制，並可以通過插入方向動態的map管腳信號以便進行後續的通信
□ 線纜的兩端一模一樣，就無法區分所連接的兩個USB設備的角色（Host or Device、等等），因而需要一套協商機制，以便讓兩端的USB設備進行角色的溝通
▲ 以上的“Configuration Process”是使用兩個稱作CC（CC1和CC2）的管腳進行的，利用不同電壓，傳遞一些簡單的信息，以滿足上面的需求。
□ 後來，一個稱作USB PD（Power Delivery）[3]的規範出現了，它在這兩個管腳上實現了一種簡單的、半雙工的通信協議，以完成USB power供給有關協商（有關USB PD，可參考相應的規範[3]以及本站後續的文章）。可以說，這個通信協議就是打開新世界的鑰匙。基於它，更多有意義的事情出現了（因此，USB Type C可以單獨存在了），例如
□ 支持擴展功能。通過擴展功能，USB Type C接口擁有了無線的想象空間，可以搖身變成任意其它協議的物理接口，例如配件接口、音頻接口、視頻接口、debug接口等等，大有一統天下之勢。從這個角度看，USB Type C不僅僅是成功上位（從USB規範中獨立出來），而是成功逆襲（凌駕於USB規範之上），格局啊！！對USB Type C有個基本的瞭解之後，我們再簡單分析一下它的主要特性（主要從軟件的角度，純電氣方面的內容直接插規範就行了，這裏不再羅嗦）。
3. 主要特性
3.1 接口形態（Receptacle/Plug/Cable）
爲了實現自己的理想和抱負，USB Type C定義了新的接口形態。另外，爲了兼容舊的接口以及一些特殊功能，它定義了不同形態的插座、插頭、線纜。主要包括：
1）定義了2種Type-C的插座
a）全功能的Type-C插座，可以用於支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設備。
b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平臺和設備上。2）定義了3種Type-C插頭
a）全功能的Type-C插頭，可以用於支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設備。
b）USB 2.0 Type-C插頭，只可以用在支持USB2.0的平臺和設備上。
c）USB Type-C Power-Only插頭，用在那些只需要供電設備上（如充電器）。3）定義了3種標準的Type-C線纜
a）兩端都是全功能Type-C插頭的全功能Type-C線纜。
b）兩端都是USB 2.0 Type-C插頭的USB 2.0 Type-C線纜。
c）只有一端是Type-C插頭（全功能Type-C插頭或者USB 2.0 Type-C插頭）的線纜 4）爲兼容舊設備而定義的線纜或者適配器
a）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插頭。
b）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-A插頭。
c）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-B插頭。
d）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-B插頭。
e）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Mini-B插頭。
f）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Micro-B插頭。
g）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Micro-B插頭。
h）一種適配器，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插座。
i）一種適配器，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Micro-B插座。
注1：再吐槽一下，看了上面的a-i，應該能感受到之前的USB接口規範是多麼的能折騰了吧？
3.2 管腳及信號的定義
USB Type-C接口有24個管腳，插座和插頭在管腳信號的定義上有一點點的不同，分別如下：
以上信號按照功能可以分爲5類：
1）Power有關的信號，包括
a）VBUS，USB線纜的bus power（和我們通常意義上VBUS保持一致）。
b）VCONN（只有在插頭上纔會有該信號），用於向插頭供電（由此可以推測出有些插頭中可能會有電路）。
c）GND，接地。 2）USB 2.0數據線，D+/D-。它們在插頭端只有一對，和舊的USB 2.0規範一致。但爲了支持正反隨意插。在插座端定義了兩組，這樣插座端可以根據實際情況進行合適的mapping。
3）USB3.1數據線，TX+/-和RX+/-，用於高速的數據傳輸。插頭和插座端都有兩組，用於支持正反隨意插。
4）用於Configuration的信號，對插頭來說，只有一個CC，對插座來說，有兩個CC1和CC2。
5）擴展功能所需的信號，具體使用場景由相應的擴展功能決定。
注2：對於3.1中所描述的不同類型的插座和插頭，這24個管腳以及信號不一定全部使用，具體可參考USB Type-C的規範[2]。
注3：大家可能注意到了，USB Type-C 24個管腳信號中，Power類（GND/VBUS）和數據類（D+/D-/TX/RX）是完全對稱的（對Power來說，無論怎麼插，都是一樣；對數據線來說，簡單的路由一下，就可以工作）。剩下的，包括CC、SBU和VCONN，用於方向、線類型等檢測，具體可參考後面的介紹。
3.3 USB port的Data Role
在USB 2.0及以前的時代，根據功能的不同，USB端口分爲Host、Device、OTG（Host和Device二者皆可）、Hub等。在Type C時代，事情的本質還在，不過名字稍微有些調整，分別稱作：
DFP（Downstream Facing Port），一般作爲Host或者Hub，在初始配置下通過VBUS或者VCONN向device供電。
UFP（Upstream Facing Port），一般作爲Device或者Hub，連接到Host上，初始配置下通過VBUS或者VCONN由Host供電。
DRD(Dual-Role-Data)，類似於以前的OTG，既可以作爲DFP，也可以作爲UFP。設備剛連接時作爲哪一種角色，由端口的Power Role（參考後面的介紹）決定；後續也可以通過data role switch過程更改（如果支持USB PD協議的話）。3.4 USB port的Power Role
根據USB port的供電（或者受電）情況，USB type c將port劃分爲Source、Sink等power角色，具體如下：
Source，通過VBUS或者VCONN供電。
Sink，通過VBUS或者VCONN接受供電。
DRP(Dual-Role-Power)，既可以作爲Source，也可以作爲Sink。到底作爲Source還是Sink，由設備連接後的Configuration Process（具體可參考後面的介紹）以及後續的power role switch過程決定。3.5 連接檢測
USB Type-C的連接檢測包括3部分的內容：
(1)連接檢測；
(2)連接方向檢測；
(3)Power Role檢測。
這三部分都是通過USB Type-C接口的CC（CC1和CC2）管腳進行的，原理總結如下（具體細節請參考[2]中的說明，本文不詳細羅列了）：
1）參考3.2小節的說明，USB Type-C的插座有兩個CC（CC1和CC2），而插頭（或者說USB cable），有兩種情況：
▲ 正常情況下，只有一個CC，兩個Type-C端口連接到一起之後，只會存在一個CC連接。通過檢測哪一個CC有連接，就可以判斷連接的方向。
▲ 如果是可供電的USB cable（Powered cable），一個用做CC，另一個用作Vconn，檢測方式參考後面的介紹。 2）不同功能的USB port，需要在CC1和CC2管腳上接不同的上拉或者下拉電阻，規則如下：
Source需要在CC1和CC2管腳接上拉電阻Rp（也可以使用電流源取代，本文就不介紹了），Rp的值可參考[2]中“Table 4-20 Source CC Termination (Rp) Requirements”的介紹。
Sink需要在CC1和CC2管腳接下拉電阻Rd，Rd的值可參考[2]中“Table 4-21 Sink CC Termination (Rd) Requirements”的介紹。
可以通過VCONN供電的USB電纜（Powered cable）爲了讓Source檢測到（以便通過VCONN爲它供電），需要在CC腳接下拉電阻Rd，並在Vconn串接一個電阻Ra（代表Vconn的負載）。
其它配件的規則，不再介紹了（可參考[2]中有關的章節）。
3）基於上面的規則，Source需要根據CC1和CC2的狀態（阻值）檢測Sink的連接及方向，規則如下：
如果CC1和CC2均爲Open狀態，表示沒有Sink連接。
如果CC1和CC2中的一個的阻值爲Rd（除去自己的Rp或者電流源的阻值）、另一個爲Open，表示有Sink連接，連接的方向由哪一個CC爲Rd決定。
如果CC1和CC2中的一個的阻值爲Ra（除去自己的Rp或者電流源的阻值）、另一個爲Open，表示有不帶Sink的Powered cable連接，連接的方向由哪一個CC爲Ra決定。
如果一個CC的阻值爲Ra，另一個爲Rd，則表示有帶SInk的Powered cable連接，連接方向由哪個CC爲Ra（Rd）決定。4）Source檢測到Sink的連接（及方向）後，會向Vbus和Vconn供電。之後：
Sink通過檢測Vbus來確定Source的連接。
Sink檢測到連接後，同樣根據CC管腳的狀態檢測連接方向。 5）Source檢測到不帶Sink的Powered cable的連接後，不會向Vbus或者Vconn供電。
6）Source檢測到帶Sink的Powered cable的連接（及方向）後，會向Vbus和Vconn供電，Sink的行爲後上面4)類似。
3.6 Power role檢測
上面的過程，是基於某個port作爲Source，另一個port作爲Sink爲假設的。實際上，某一個Type-C port可能是DRP port，怎麼辦呢？簡單：
它可以在Source和Sink兩個狀態來回切換，在某一個狀態下的檢測邏輯，和上面3.5描述的完全一樣。
當在Source狀態下，成功的檢測到Sink的連接時，則自己作爲Source；當在Sink狀態下成功檢測到Source的連接時，則自己作爲Sink。
另外，Type-C規範也提供了一個後悔藥，雖然我是DRP（Source或者Sink都可以支持），但我更傾向於作爲Source（或Sink）怎麼辦？好辦：
當在動態檢測的過程中，自己變成了一個自己不喜歡的角色，還可以執行一個Try.SRC或者Try.SNK的過程，嘗試變成自己喜歡的角色。如果碰巧對方認可你作爲這個角色，OK，萬事大吉。
注4：到目前爲止（在沒有USB PD協議參與的情況下），USB Type-C port的data role必須和power role保持一致（因爲Type-C規範沒有提供多餘的機制去單獨的協商data role）。
3.7 USB PD協議
正確連接後，雙方通過CC管腳，使用USB PD（Power Delivery）協議，可以進行後續配置和操作，包括：
Data Role的切換（類似USB OTG的切換）；
Power Role的切換；
Vconn role的切換（誰通過Vconn向Powered cable供電）；
供電的調整；
等等（具體可參考[3]以及後續有關USB PD協議的介紹）。4. 參考文檔
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/USB#2.0
[2] USB Type-C Specification Release 1.3.pdf
[3] USB_PD_R3_0 V1.1 20170112.pdf