USB Power Delivery Protocol Layer

USB Power delivery定義了Protocol layer，利用Protocol制定的message來溝通。
下面為他們所制定的message格式。


每段message都會有16bits的header用來表示message的類別，如果是data message
，後面會有0~7個Data Objects，而control message被包含在16bits的header裡。

這16bits header的格式如下

Number of Data Objects：它讓接受端知道header後面會有幾個data objects。
MessageID：讓接受端知道，目前是第幾段message，在一開機時，應該為0。
Port Role：表示目前發出message的是0(Sink) or 1(Source)。
Specification Revision：表示發送端支援00(PD reversion 1.0) or
                                         01(PD reversion 2.0)。
Message Type：message分為control與data兩種，而data meesage會在header後面
                           跟隨data object。而conrol message沒有data object。

Control Message：當Number of data objects為０,表示這段message為Control
                                    message。Control message用來做兩端的溝通。

Data message：用來傳送資料。

   有下面四種種類的data object
■ Power Data Object (PDO) ：
Source端用來送出自已的供電能力，另外當Source端送出PDO，但Sink端發出Reject message來表示Source的供電能力不符合Sink端的需求，Source端可以要求Sink送出
PDO來表示Sink端需要的電力為何。

■ Request Data Object (RDO) ：
當Source端發送PDO後，例如是12/1.5A，Sink端可以發送RDO來表示自已只需要0.5A。


■ BIST Data Object (BDO) ：
用來做physical layter test，算是debug mode。

■ Vendor Defined Data Object (VDO) ：
用來傳VDM，可以知道另一端的Product ID、Cable ID。在確認ID後，如果device支援alternate mode，在Type-C port可以用MUX開關，讓原本的USB訊號，改傳PCIE、DisplayPort訊號。如果device為audio裝置，可以從USB訊號PIN傳類比的耳
機訊號。這是一個讓USB port延伸更多功能的方式。

Reference
1. Universal Serial Bus  Power Delivery Specification_Revision  2 .0,   V0. 90

DisplayPort for USB Type-C

Video Electronics Standards Association (VESA)在9/22發布在Type-C Alternate Mode支援

DisplayPort。在我的另一篇文章"USB Type-C Configuration Channel (CC) pin function"提到USB PD的VDM (Vendor defined message)可以讓Type-C的host認到device裝置，而進到Alternate mode。

從下圖DisplayPort的圖可以看到，DP包含四個Lane，與AUX channel, Hot Plug Detect訊號。

下圖為DisplayPort Alternate Mode示意圖，當host認到device為DP裝置，便切換MUX/ Configuration Switch，讓原來Type-C USB3.1訊號的腳位，改為傳輸DP訊號。AUX訊號由
Type-C保留的SBU1,SUB2來傳。HPD是偵測pin，作用與CC pin類似，所以跟CC pin共用。

如果要完全達到DP的功能，需要4個Lanes。

為了達到USB與DP信號可以同時進行，DP alternative mode也定義了2 lane來達到DP功能，並
支援下面的規格，這兩個lanes需要走USB3.1的通道。
– For DP 1.2a (HBR2), this provides support for 2560x1600 or 2 each 1080p displays。
– For DP 1.3 (HBR3), this will provide support of 4K UHD (3840 x 2160) 。

DP也支援docking傳輸，可以讓docking只經由Type-C port，就可以輸出DP,HDMI與多組USB訊號。　

Reference
1.http://www.vesa.org/wp-content/uploads/2011/01/ICCE-Presentation-on-VESA-DisplayPort.pdf
2.http://www.displayport.org/wp-content/uploads/2014/09/DP-Alt-Mode-Overview-for-VESA-                 v1.pdf

USB Type-C Configuration Channel (CC) pin function

USB Type-C定義了CC pin，理解了CC pin的功能，大致上就等於理解了Type C。下面六個項目是Type C Spec所定義的CC pin功能。

1. Detect attach of USB ports, e.g. a DFP to a UFP

DFP (Downstream Facing Port)為Host端， UFP (Upstream Facing Port) 為device端。在DFP的CC pin會有上拉電阻Rp，在UFP會有下拉電阻Rd。在DFP與UFP未連接之前，DFP的VBUS是沒有輸出的。當DFP與UFP連接後，CC pin相接，DFP的CC pin 偵測到UFP pulldown Rd，表示接到Device，DFP便打開VBUS的FET開關，輸出VBUS電源給UFP。

DFP可由CC1與CC2 pin的負載阻抗來判斷連接狀態，並偵測它是否接到debug or Audio accessory裝置。


2. Resolve cable orientation and twist connections to establish USB data bus routing
由於Type-C是支援正反插，CC pin被用來偵測正反插，從DFP的角度來看，當CC1接到Pulldown就是正插，如果是CC2接到Pulldown就是反插。在偵測完正反插後，就會輸出相對應的USB信號，例如CC1對應的是SSTX1與SSRX1。下圖的右邊整合了MUX，由於USB 3.1的data rate高達10 Gbps，為了避免PCB的走線出現分支，所以正反插進來的訊號會由MUX來切換，正插時，切換到SSRX1&SSTX1，反插時，切換到SSRX2&SSTX2。

3. Establish DFP and UFP roles between two attached ports
除了DFP、UFP，Type-C spec還定義了DRP (Dual Role port)，DRP可以做為DFP也可以做為UFP，可以供電，也可以受電。當DPR接到UFP裝置，DRP會轉換為DFP。當DRP接到DFP裝置，DRP會轉換為UFP。當兩個DRP裝置接在一起，兩個裝置會Random地，一方為DFP，一方為UFP。

4. Discover and configure VBUS: USB Type-C Current modes or USB Power Delivery

下表為Type-C VBUS  輸出選項，USB 2.0, USB3.1,USB BC1.2 是先前USB協會定義的標準，可以跟Type-C相容。USB Type-C current 1.5A與3A是Type-C所定義的，需要有CC pin來做偵測。USB PD的功能還需要有USB PD Phy chip來完成Protocol溝通，而Protocol信號是載在兩端連接的CC pin上。

Type-C如何去決定要執行那個模式呢?這也需要靠CC pin。先前提到DFP會有上拉電阻Rp，UFP會有下拉電阻Rd，當DFP與UFP相接，CC pin上就會有分壓，Rd是固定5.1k，而Rp就會依照DFP的類別，而有不一樣的阻值。UFP會monitor CC pin上的分壓來知道DFP的VBUS種類。另外DFP也用不同大小的定電流源來供給CC pin，當電流流到uRd，同樣可以產生電壓，讓UFP知道DFP的VBUS模式。

Type-C spec定義了DFP在不同模式下，在CC pin要供多大的電流或是要用多大的上拉電阻Rp阻值。

在UFP是由CC pin上的電壓，來得知DFP的VBUS輸出能力。例如DFP為5V/3A，它可以在CC pin上供330uA的電流，在UFP端的CC pin上就會得到330uA * 5.1k=1.683V，UFP就可以判斷

DFP為vRd-3.0。或是DFP用一個上拉電阻10K到VBUS，UFP端的CC pin上的電壓為

5v * 5.1k /(5.1k+10k)=1.688V，UFP一樣可以判斷DFP為vRd-3.0。

USB Type C也支援USB PD，而USB PD的Protocol會轉為BMC的信號，在CC pin上傳輸。

5. Configure VCONN
CC pin有CC1,CC2，當其中1 pin被用來做DFP,UFP之間的連結，另1pin用就來供VCONN。由Figure4.5可以發現，當Cable內將另一個CC pin接一個下拉電阻Ra，這表示這是一條主動式Cable，需要被供電的。DFP偵測到Ra，便會輸出VCONN在CC pin，供電給Cable。Ra的阻抗是定義為800ohm ~1200ohm。

6. Discover and configure optional Alternate and Accessory modes
USB PD的VDM (Vendor defined message)功能，可以讓host與device認到對方的ID，而進到alternate mode.，VDM也是透過CC pin來傳輸的。下面為一個Alternate mode在Dock的例子，system認到dock裝置，知道dock有PCIe裝置，於是system利用Type-C的SBU1/SBU2、Tx2/Rx2來傳輸PCIe信號。

當CC1與CC2 pin上各接一個下拉電阻，阻值≤Ra，這表示system接到了Audio Accessory，system
進到accessory mode。如下圖，Type C的CC pin接到耳機的DET pin，當耳機插入時，DET pin被拉到low，system進到accessory mode。system需要自動切換Type C上的訊號，讓DP/DN甩來輸出耳機的左右聲道。SBU1/SBU2用來作MIC/AGND function，依照system是支援OMTP或CTIA的耳機。

Reference
1. www.usb.org  "USB Type-C Specification Release 1.0"

USB Type-C feature

USB Type C的spec在8/11已經在USB.org發布，Type-C有可能會取代傳統的A/B type
，讓我們由spec來分析Type C的特色。


1.支援正反插
由下面的Type C connector pin define可以看出Type C 斜對角對稱。當接頭正插時
，與A排接觸，反插時，與B排接觸，所以USB訊號正反插都可以通。

 2. CC signal
    在Type C多了一些訊號，CC、SBU、VCONN，最重要的是CC signal。

下面是spec列出的CC signal function

1. Detect attach of USB ports, e.g. a DFP to a UFP

2. Resolve cable orientation and twist connections to establish USB data bus
    routing

3. Establish DFP and UFP roles between two attached ports

4. Discover and configure VBUS: USB Type-C Current modes or USB Power
     Delivery

5. Configure VCONN

6. Discover and configure optional Alternate and Accessory modes

3. Power supply
Type C除了可以跟其他的USB規範相容，TypeC還定義了輸出電流1.5A與3A的
規範，比之前的USB輸出電流還大，這個功能需要由CC pin來做偵測。另外
Type C也可以支援USB PD，但這需要系統裡有含USB PD PHY的 IC。

4.尺寸 dimension
Type C接頭比傳統的A/B type小很多，所以也可以用在手機、平板。

5.支援USB PD
    Type C利用CC pin來傳輸USB power delivery protocol信號，與Type A/B不同
。Type A/B是由VBUS來傳輸USB PD protocol信號，所以需要加zisolation電感
來濾掉高頻的protocol信號，使得電源只剩低頻的直流信號。

Reference
1. www.usb.org  "USB Type-C Specification Release 1.0"

STM32 SMBUS example

為了要控制一顆USB PD IC需要用SMBUS溝通，所以我利用STM32來發送SMBUS command。下面相關的程式碼步驟。
I want to control a USB-PD IC and communicate with it by SMBUS. I used the STM32 to transmit SMBUS command. The following code are steps to set STM32 sending complete SMBUS Write Word command.

1. Setup the system clock

/* Enable HSI Clock 16MHz*/
RCC_HSICmd(ENABLE);
/*!< Wait till HSI is ready */
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSIRDY) == RESET)
{}

RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI);

RCC_MSIRangeConfig(RCC_MSIRange_6);

RCC_HSEConfig(RCC_HSE_OFF); 
if(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) != RESET )
{
while(1);
}

RCC_AHBPeriphClockCmd( RCC_AHBPeriph_GPIOB , ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

2. Configure the GPIO to be I2C function pin

GPIO_SetBits(GPIOB, LD_BLUE_GPIO_PIN);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 |GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_40MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource8, GPIO_AF_I2C1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_I2C1);

3. Configure the I2C and  set I2C to be SMBUS

/* I2C1 configuration: SMBus Host ------------------------------------------*/

I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_SMBusHost ; I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x01; I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure); I2C_Cmd(I2C1, ENABLE); 4. Start to send I2C Start bit. I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);    /* Test on I2C1 EV5 and clear it */ while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));  5. Send PD IC Slave address 18h.  Because the last bit is R/W bit in slave address command, the address value need to be left shift one bit.   I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x30,I2C_Direction_Transmitter);     /* Test on I2C1 EV6 and clear it */  while(!I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));           /* Send Command */  6. Send the register address you want to write.   I2C_SendData(I2C1, 0x30); /* Test on I2C1 EV8 and clear it */    while(!I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING));   7. Send the data you want to write.   /* Send data low byte */   I2C_SendData(I2C1, 0x04); /* Test on I2C1 EV8 and clear it */    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING));    /* Send data high byte */   I2C_SendData(I2C1, 0xC8); /* Test on I2C1 EV8 and clear it */   8. Send I2C Stop bit    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          /* Send I2C1 STOP Condition */   I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);