Alles über USB

Wir haben jetzt seit mindestens fünf Jahren USB-C-Anschlüsse in unseren Geräten. Es ist ein Standard, den viele Hersteller und Hacker unterstützen können. Anfangs herrschte große Verwirrung darüber, was uns da draußen tatsächlich begegnen würde, und herstellerbedingte Abweichungen haben einige Leute abgeschreckt. USB-C wird jedoch bleiben, und ich möchte Ihnen zeigen, wie USB-C dort tatsächlich eingesetzt wird, was Sie als Power-User davon erwarten können und was Sie als Benutzer davon haben können Bastler.

Moderne Geräte haben eine Reihe gemeinsamer Anforderungen – sie benötigen einen Stromeingang oder einen Stromausgang, manchmal beides, typischerweise einen USB2-Anschluss und oft eine schnellere Konnektivität wie einen Display-Ausgang/-Eingang oder USB 3. USB-C ist ein Schnittstelle, die darauf abzielt, sich um all diese Dinge zu kümmern. Alles oben Genannte ist optional, was ein Segen und ein Fluch ist, aber Sie können schnell lernen, anhand seines Aussehens zu unterscheiden, was Sie von einem Gerät erwarten können. Wenn Sie jemals Zweifel haben, zeige ich Ihnen gerne, wie Sie dies überprüfen können.

Wir alle wissen, dass USB-C gedreht werden kann – Sie können das Kabel also beliebig herum einstecken – was eine deutliche Verbesserung gegenüber USB-B darstellt. Kommen wir zur Funktionsweise. Um dies zu ermöglichen, gibt es eine CC-Verbindung (Configuration Channel) – eine einadrige Leitung in jedem USB-C-Kabel, die an einen der beiden CC-Pins im Typ-C-Stecker angeschlossen wird, und sie ist für die Herstellung von USB-C unerlässlich arbeiten. Für einfache USB-C-Anwendungsfälle, wie zum Beispiel „USB 2.0 und 5 V aus einem Anschluss herausholen“, befolgen Sie ein einfaches Rezept: Schließen Sie an jeden CC-Pin einen 5,1-kΩ-Pulldown an, und Sie erhalten einen USB-C-Anschluss, der mit allen vernünftigen Anschlüssen funktioniert Geräte da draußen.

Selbstverständlich gibt es in USB-C auch Unterstützung für Dinge, die über 5 V und USB 2.0 hinausgehen. Über einen USB-C-Anschluss können Sie verschiedene Spannungen beziehen, was zum Aufladen von Geräten wie Laptops sehr praktisch ist. Sie können USB 3, DisplayPort und Thunderbolt erhalten. An die meisten Laptops können Sie eine Dockingstation anschließen und so weit wie möglich USB-C nutzen. So erhalten Sie ein hochauflösendes Display, zahlreiche USB-Anschlüsse und können über dasselbe Kabel aufgeladen werden. Wie funktioniert das nun?

Für Anwendungsfälle wie Spannungen über 5 V (USB-PD) oder Hochgeschwindigkeitsverbindungen über USB 2 und 3 hinaus (die „Altmodi“ für Alternate Mode) müssen Sie sie über dieselbe CC-Verbindung aufrufen. Für die Zwei-Wege-Kommunikation steht Ihnen ein Einzeldraht zur Verfügung, wodurch der CC-Draht zu einem Halbduplex-Kanal wird. Es handelt sich um ein Ethernet-ähnliches Protokoll mit einer festen Rate von 300 KBit/s. Es gibt viele ICs, die dieses Protokoll kommunizieren, um eine Reihe definierter Funktionen zu implementieren, und eine ganze Reihe von ICs und Mikrocontroller-Peripheriegeräten helfen Ihnen dabei, über das Protokoll alles zu sagen, was Sie wollen.

USB-C-Anschlüsse verfügen über Pins für vier Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare, also insgesamt acht Pins. Bei vielen einfacheren USB-C-Geräten ist die Verbindung getrennt, aber in diesen Anschlüssen steckt viel Strom. Zunächst einmal können Sie in der Regel USB 3.1 oder 3.2 aus ihnen herausholen, wenn Sie einen solchen Anschluss an einem Laptop sehen. Ein USB3-Anschluss belegt normalerweise zwei von vier Differentialpaaren, einige Geräte unterstützen jedoch 2 x 2 USB3-Verbindungen, wodurch sich die Anzahl der Paare und die Übertragungsgeschwindigkeit verdoppeln. Immer häufiger können Sie DisplayPort auch über Ihre USB-C-Anschlüsse nutzen – mit entweder zwei oder vier Lanes können Sie einige Displays mit ziemlich hoher Auflösung betreiben.

Dann gibt es noch Thunderbolt, eine halb-proprietäre Technologie, die auch die Hochgeschwindigkeitspaare eines USB-C-Anschlusses nutzt. Es kann USB3, DisplayPort und sogar PCIe in sich tunneln, obwohl es keines dieser drei Dinge ist. Mit Thunderbolt können Sie eine Dockingstation haben, aber auf Steroiden, mit mehr DisplayPort-Optionen, besseren und schnelleren Anschlüssen oder vielleicht sogar einer externen GPU! Sie könnten vermuten, dass dies die seltenste und teuerste Option von allen ist.

Angesichts dieser Hochgeschwindigkeits- und Leistungsfähigkeiten hat die Vereinigung aller Komponenten in einem Steckverbinder große Vorteile. Ihr USB-C-Laptop-Ladegerät kann Ihr Telefon auch in Zeiten der Not aufladen, und dank der aggressiven Standardisierung sind beim Aufladen nicht mehr viele proprietäre Dinge erforderlich.

Wenn Sie über ein USB-C-Nintendo-Switch-Dock verfügen, fungiert dieses theoretisch auch als Dock für Ihren Laptop, vorausgesetzt, Sie können es mechanisch anschließen und Laptop-Docks funktionieren mit Ihrem Steam Deck. Im Allgemeinen werden Dockingstationen immer preiswerter – man nutzt für alles ein einziges Kabel, es funktioniert mit den meisten USB-C-Geräten auf dem Markt, und das war’s.

Jedes Jahr gibt es immer weniger, was USB-C nicht kann. Letztes Jahr kündigten sie EPR an, das die USB-C-Port-Kapazität auf bis zu 240 W bei 48 V bei 5 A erhöht – im Gegensatz zu SPR, bei dem ein USB-C-Port auf 100 W, 20 V bei 5 A begrenzt wäre. Dadurch entfällt im Grunde die Notwendigkeit von Hohlstecker-Adaptern bei Laptops, wo früher 100 W USB-C ein Hindernis darstellten – wir sollten nicht mehr alle „universellen“ Netzteile mit einer Auswahl an Hohlstecker-Adaptern benötigen. Dann gibt es noch USB4, einen kommenden Standard, der genau wie Thunderbolt ist, aber nicht ganz, sondern besser, aber schlechter? Wie auch immer, wir werden mehr USB4-Unterstützung in Computern sehen, und hoffentlich wird eines Tages jeder Laptop mit einer Hochgeschwindigkeitsschnittstelle ausgestattet sein, auch die billigsten.

Alles in allem hat USB-C eine glänzende Zukunft vor sich und ist in vielerlei Hinsicht einigermaßen gut konzipiert – wir haben aus den Fehlern gelernt, die wir im Laufe der Jahrzehnte bei Anschlüssen, Kabeln und Standards gemacht haben, und lassen genug übrig für kommende Ergänzungen.

Natürlich hat USB-C auch ein völlig neues Feld geschaffen, in dem Fehler gemacht werden können.

USB-C-Horrorgeschichten gibt es überall – im Grunde kann jeder, der USB-C verwendet hat, davon erzählen, dass USB-C einmal oder vielleicht sogar mehrmals versagt hat. USB-C hat mehr Vorteile als Nachteile, aber ich bin fest davon überzeugt, dass es wichtig ist, dass wir uns daran erinnern, wie es uns früher im Stich gelassen hat und wie es immer noch funktioniert, damit wir daraus lernen und herausfinden können, wie wir sie vermeiden können .

Nicht alle Teile des USB-C-Standards sind gleich gut durchdacht. Die Kabel- und Anschlusssituation fällt mir als Erstes ein. Wenn Sie einen USB-C-Anschluss sehen, können Sie kaum auf den ersten Blick erkennen, was er unterstützt, und das Gleiche gilt auch für Kabel. Die Situation ist derzeit ziemlich schlimm – die Verwendung von USB-C kann für jemanden, der noch keine vernünftige Erklärung gefunden hat, manchmal viel Rätselraten erfordern. Es gibt Richtlinien, wie Sie Kabel unterscheiden können, und ich werde nebenbei einige Tricks zeigen. Allerdings hätten sie von Anfang an ein überzeugendes visuelles Markierungsschema einführen sollen.

Der USB-C-Standard ist aufgrund der zahlreichen Zustandsautomaten und Besonderheiten etwas kompliziert zu implementieren. Die USB-C-Spezifikation ist für ihre unglaublich langen PDF-Dokumente bekannt: Das Stecker- und Kabeldokument umfasst 350 Seiten und das USB-PD-Dokument ist mehr als 600 Seiten lang. Viele Hersteller haben es im Laufe der Jahre in gutem Glauben versucht und dennoch Geräte mit auffälligen und bizarren Randgehäusen entwickelt. Laptops, die nur mit bestimmten Ladegeräten funktionieren und umgekehrt, Docks, die nur mit bestimmten Laptops oder nur in Kombination mit einem bestimmten Ladegerät funktionieren, Kabel, die nur in einer Ausrichtung funktionieren oder Geräte, die je nach Kabelausrichtung unterschiedlich funktionieren – an Rätseln mangelt es nicht .

Darüber hinaus gibt es unendlich viele Möglichkeiten, USB-C zu missbrauchen, und einige Hersteller geben sich große Mühe! Es ist nicht die Schuld des USB-C-Standards, dass andere ihn missbrauchen – bei der Definition eines komplexen Standards können Sie nur eine begrenzte Menge an Schutzmaßnahmen implementieren. Wir müssen jedoch immer noch auf eine ganz neue Kategorie von Problemen achten. Einige USB-C-Sünden sind schwer zu verzeihen und es lohnt sich, näher darauf einzugehen, andere sind weniger offensichtlich – viele davon werden wir im Laufe der Zeit durchgehen.

Es ist wichtig, dass Sie dies im Hinterkopf behalten – USB-C wird mit der Zeit immer kohärenter; notfalls auch mit Gewalt. Ebenso wird es nur noch hackbarer. Denn mit der Zeit werden wir immer mehr Bausteine ​​sammeln – sowohl Hardware als auch Wissen. Darüber hinaus wachsen die USB-C-Ökosysteme in unseren Häusern jeden Tag. Wenn Sie heute etwas entwerfen, sollten Sie USB-C für Ihre Anwendungsfälle unbedingt in Betracht ziehen.

Lassen Sie uns hier zusammenfassen, was Sie zum Hinzufügen eines USB-C-Anschlusses benötigen, um sicherzustellen, dass Ihr Gerät 5 V mit bis zu 3 A möglich ist, mit USB 2.0-Daten und vollständiger Rotationsunterstützung für beide.

Das ist es. Im Vergleich zu MicroUSB sind es nur zwei zusätzliche Widerstände und die Pins sind einfacher zu löten. Verdrahten Sie die Widerstände genau wie im Schaltplan dargestellt. Verbinden Sie die CC-Pins nicht wie beim Raspberry Pi 4 und lassen Sie auch die Widerstände nicht weg. Wenn Sie die Widerstände weglassen, versorgt der Upstream-Typ-C-Port Ihr Gerät nicht mit 5 V – viele billige Geräte verzichten darauf. Ohne die 5,1-kΩ-Widerstände wird kein Strom bereitgestellt, es sei denn, Sie verwenden ein USB-A-zu-USB-C-Kabel, um Ihr Gerät mit Strom zu versorgen. Wenn Sie einen der Widerstände weglassen, funktioniert nur eine Umdrehung des Ports – einige günstige Geräte haben nur einen Widerstand.

Jedes USB-C-Gerät, das an irgendeinem Punkt 5 V empfangen möchte, verfügt über diese Widerstände, entweder auf der Platine oder in einem USB-C-Kommunikations-IC. Für einen einfachen „5 V und USB 2.0“-Zweck können Sie einfach 1 % 5,1 kΩ-Widerstände verwenden. Das heißt, zur Not kann man zwei 10K-Widerstände parallel schalten und es funktioniert tatsächlich. Ich persönlich habe gerade eine Rolle mit 5,1-kΩ-Widerständen bestellt und sie haben mir sehr geholfen. Wenn Sie einen Anschluss haben, bei dem der Designer vergessen hat, diese Widerstände hinzuzufügen, können Sie auch einige FPC-Unterlegscheiben bestellen, die dabei helfen, solche Widerstände auf eine beliebte Art von Anschlüssen zu löten!

Sie haben eine große Auswahl an USB-C-Anschlüssen, und die 16-Pin-Anschlüsse sind ein Publikumsliebling – zahlreiche Pin-kompatible Anschlüsse sind überall erhältlich und relativ einfach von Hand zu löten, insbesondere wenn Sie über einen Lötdocht verfügen um Fehler zu beheben. Stellen Sie sicher, dass Sie keine Anschlüsse ohne CC-Pins verwenden – da Sie keine Pulldown-Widerstände anschließen können, ist es nicht möglich, solche Anschlüsse mit echten Typ-C-Anschlüssen zu betreiben, und sie funktionieren immer nur mit einem USB-A-auf-USB-Anschluss -C-Kabel, was eine erhebliche Einschränkung darstellt.

Natürlich gibt es bei USB-C viel mehr als nur 5 V bei 3 A und USB 2.0, wie ich bereits erwähnt habe, und ich zeige Ihnen, wie Sie alle anderen Möglichkeiten nutzen können. Es ist jedoch wichtig, dass Sie sich die angezeigte Formel merken, da Sie diese am häufigsten verwenden und sie Ihnen auch beim Verständnis anderer Formeln hilft. In der Zwischenzeit können Sie SBU-Pins verwenden, um einige Debug-Verbindungen wie einen UART freizugeben, da nichts außer DisplayPort SBU verwendet. Es kann jedoch schwierig sein, Steckerausbrüche zu finden, die die SBU in einem handlötbaren Formfaktor freilegen. Und wenn Sie jemals in die große Liga der USB-C-Port-Hacker einsteigen, können Sie das Debugging tatsächlich auch auf standardkonforme Weise implementieren!

Die Einhaltung der USB-C-Standards ist für einen Hacker ein zweischneidiges Schwert. Wenn Sie sich nicht daran halten, kann es sein, dass Sie Ihren Laptop zerstören oder dass Sie enorme Vorteile ohne Gefahren oder Nachteile haben. Einige Szenarien sind nicht deshalb „verboten“, weil sie tatsächlich gefährlich sind, sondern weil sie für einen durchschnittlichen Benutzer verwirrend sind oder nicht zu einwandfreier Funktionalität führen, und in vielen Fällen ist die Nichteinhaltung das schlimmste Ergebnis im Internet könnte sich wegen eines Nitpicks über Sie ärgern.

In den kommenden Folgen werde ich Dinge besprechen, die absolut schrecklich sind und niemals hätten gemacht werden dürfen. Ich zeige Ihnen auch, wie Sie sanft (oder harsch) gegen die Standards verstoßen, wenn es für Sie von Vorteil sein könnte oder völlig sinnvoll wäre, und wenn es so aussieht, als könnten Sie gegen die Standards verstoßen, Sie es aber wirklich, wirklich nicht tun sollten. Hier ist eine Richtlinie: Wenn Sie hören, dass etwas, das Sie verwenden möchten, gegen die USB-C-Standards verstößt, ist es sehr wichtig, welche Konsequenzen dies für Ihre spezifische Anwendung hat.

Lassen Sie uns gemeinsam den USB-C-Standard lernen, verbreiten und verletzen! Bis nächste Woche.