Todo sobre USB

Ya llevamos al menos cinco años de puertos USB-C en nuestros dispositivos. Es un estándar que muchos fabricantes y piratas informáticos pueden respaldar. Inicialmente, hubo mucha confusión sobre lo que realmente encontraríamos ahí fuera, y las aberraciones inducidas por el fabricante han desanimado a algunas personas. Sin embargo, USB-C llegó para quedarse y me gustaría mostrarles cómo se utiliza realmente USB-C, qué puede esperar de él como usuario avanzado y qué puede obtener de él como usuario. aficionado.

Los dispositivos modernos tienen un conjunto de necesidades comunes: necesitan una entrada de alimentación o una salida de alimentación, a veces ambas, normalmente una conexión USB2 y, a menudo, alguna conectividad de mayor velocidad como una salida/entrada de pantalla o USB 3. USB-C es un interfaz que tiene como objetivo poder encargarse de todos ellos. Todo lo mencionado anteriormente es opcional, lo cual es una bendición y una maldición, pero puedes aprender rápidamente a distinguir qué esperar de un dispositivo según su apariencia; Si alguna vez tienes dudas, me gustaría mostrarte cómo comprobarlo.

Todos sabemos que el USB-C se puede girar (le permite insertar el cable en cualquier dirección), lo que supuso una mejora significativa con respecto al USB-B. Veamos cómo funciona esto. Para que esto sea posible, hay una conexión CC (canal de configuración): una línea de un solo cable en cada cable USB-C que se conecta a uno de los dos pines CC en el conector tipo C, y es esencial para hacer USB-C. trabajar. Para casos de uso simples de USB-C, como “sacar USB 2.0 y 5 V de un puerto, siga una receta sencilla: conecte un pulldown de 5,1 kΩ a cada pin CC y tendrá un puerto USB-C que funcionará con todos los puertos USB-C razonables. dispositivos que existen.

Por supuesto, hay soporte para cosas más allá de 5 V y USB 2.0 en USB-C. Puede obtener una variedad de voltajes a través de un puerto USB-C, lo cual es bastante útil para cargar cosas como computadoras portátiles. Puede obtener USB 3, DisplayPort y Thunderbolt. La mayoría de las computadoras portátiles le permitirán conectar una estación de acoplamiento aprovechando el USB-C tanto como sea posible, brindándole una pantalla de alta resolución, muchos puertos USB y carga con el mismo cable. Ahora bien, ¿cómo funciona eso?

Para casos de uso como voltajes superiores a 5 V (USB-PD) o conectividad de alta velocidad más allá de USB 2 y 3 (los "altmodes", para el modo alternativo), debe invocarlos a través de la misma conexión CC. Tiene un solo cable para comunicaciones bidireccionales, lo que convierte al cable CC en un canal semidúplex; es un protocolo similar a Ethernet de velocidad fija de 300 kbps. Hay muchos circuitos integrados que utilizan este protocolo para implementar un conjunto de características definidas, y bastantes circuitos integrados y periféricos de microcontroladores le ayudarán a decir lo que quiera sobre el protocolo.

Los puertos USB-C tienen pines para cuatro pares diferenciales de alta velocidad, ocho pines en total. Muchos dispositivos USB-C más simples los tienen desconectados, pero hay mucha energía en estos puertos. Para empezar, normalmente puede obtener USB 3.1 o 3.2 cuando ve un puerto de este tipo en una computadora portátil. Un puerto USB3 suele ocupar dos pares diferenciales de cuatro, pero algunos dispositivos admiten enlaces USB3 2 x 2, lo que duplica la cantidad de pares y la velocidad de transferencia. Cada vez con más frecuencia, también puedes sacar DisplayPort de tus puertos USB-C: con dos o cuatro carriles, puedes manejar algunas pantallas de bastante alta resolución.

Luego, está Thunderbolt, una tecnología semipropietaria que también utiliza pares de alta velocidad en un conector USB-C. Puede tunelar USB3, DisplayPort e incluso PCIe dentro de sí mismo, aunque no es ninguna de estas tres cosas. Con Thunderbolt, puedes tener una estación de acoplamiento pero con esteroides, con más opciones DisplayPort, puertos mejores y más rápidos, ¡o tal vez incluso una GPU externa! Se podría suponer que es la opción más rara y cara de todas.

Dadas estas capacidades de alta velocidad y alta potencia, la unificación de todo en un solo conector tiene grandes ventajas. El cargador de computadora portátil USB-C también puede cargar su teléfono en momentos de necesidad y, gracias a la estandarización agresiva, ya no hay muchas cosas patentadas involucradas en la carga.

Si tiene una base USB-C para Nintendo Switch, en teoría también actuará como una base para su computadora portátil, suponiendo que pueda conectarla mecánicamente, y las bases para computadora portátil funcionarán con su Steam Deck. En general, las estaciones de acoplamiento se están volviendo razonables: se usa un solo cable para todo, funciona con la mayoría de los dispositivos USB-C que existen y eso es todo.

Cada año, hay cada vez menos cosas que el USB-C no puede hacer. El año pasado, anunciaron EPR, que aumenta la capacidad del puerto USB-C hasta 240 W, a 48 V @ 5 A, a diferencia del SPR, donde un puerto USB-C estaría limitado a 100 W, 20 V @ 5 A. Básicamente, esto elimina la necesidad de adaptadores de enchufe cilíndrico en las computadoras portátiles, donde 100 W de USB-C solían ser una barrera; ya no deberíamos necesitar todas las fuentes de alimentación “universales” con una variedad de adaptadores de conector cilíndrico. Luego, está USB4, un estándar próximo, que es como Thunderbolt, pero no del todo, pero es mejor, ¿pero peor? De cualquier manera, veremos más compatibilidad con USB4 en las computadoras y, con suerte, algún día todas las computadoras portátiles estarán equipadas con una interfaz de alta velocidad, incluso las más baratas.

En general, USB-C tiene un futuro brillante y está razonablemente bien diseñado en muchos aspectos: aprendiendo de los errores que hemos cometido a lo largo de décadas de puertos, cables y estándares, y dejando suficiente para futuras incorporaciones.

Por supuesto, USB-C también creó un campo completamente nuevo en el que cometer errores.

Las historias de terror sobre USB-C están en todas partes; básicamente, todos los que han usado USB-C pueden contarle sobre aquella vez en la que el USB-C les falló, o quizás varias veces. USB-C tiene más ventajas que desventajas, pero creo firmemente que es importante que recordemos las formas en que solía fallarnos y las formas en que todavía lo hace, para que podamos aprender de estas formas y descubrir cómo evitarlas. .

No todas las partes del estándar USB-C están igualmente bien pensadas. La situación del cable y los puertos es la primera que me viene a la mente. Cuando ves un puerto USB-C, casi nunca puedes saber de un vistazo qué admite, y lo mismo ocurre con los cables. La situación es bastante grave tal como está: el uso de USB-C puede, a veces, requerir muchas conjeturas para alguien que aún no ha encontrado una explicación decente. Hay pautas sobre cómo distinguir los cables y, a lo largo del camino, mostraré algunos trucos. Dicho esto, deberían haber introducido un esquema de marcado visual convincente desde el principio.

El estándar USB-C es algo complicado de implementar, con las numerosas máquinas de estados y peculiaridades que implica. La especificación USB-C es conocida por sus documentos PDF increíblemente largos: el documento sobre conectores y cables tiene 350 páginas y el documento USB-PD tiene más de 600 páginas. Muchos fabricantes lo han intentado a lo largo de los años, de buena fe, y aún así han creado dispositivos con bordes notables y extraños. Computadoras portátiles que solo funcionan con ciertos cargadores y viceversa, bases que solo funcionan con ciertas computadoras portátiles o solo en combinación con un determinado cargador, cables que funcionan en una sola orientación o dispositivos que funcionan de manera diferente dependiendo de la orientación del cable: no faltan misterios. .

Además de eso, hay infinitas formas de hacer un mal uso del USB-C, ¡y ciertos fabricantes se esfuerzan mucho! No es culpa del estándar USB-C que otros lo utilicen indebidamente: al definir un estándar complejo, solo se puede implementar una cantidad limitada de protecciones. Sin embargo, todavía tenemos una categoría completamente nueva de problemas a los que debemos prestar atención. Algunos pecados del USB-C son difíciles de perdonar y vale la pena analizarlos, y otros son menos obvios; repasaremos muchos de ellos a lo largo del camino.

Es importante que tengas esto en cuenta: USB-C solo se volverá más coherente a medida que pase el tiempo; por la fuerza, si es necesario. Del mismo modo, será cada vez más pirateable. Porque, como sucede con el tiempo, recolectaremos cada vez más bloques de construcción, tanto piezas de hardware como de conocimiento. Además de eso, los ecosistemas USB-C en nuestros hogares solo crecen cada día. Si está diseñando algo hoy, debería considerar seriamente el USB-C para sus casos de uso.

Aquí, recapitulemos lo que necesita para agregar un puerto USB-C para asegurarse de que su dispositivo obtenga 5 V con hasta 3 A posibles, con datos USB 2.0 y soporte de rotación total para ambos.

Eso es todo. En comparación con MicroUSB, solo tiene dos resistencias adicionales y los pines son más fáciles de soldar. Conecte las resistencias específicamente como se muestra en el esquema; No unas los pines CC como lo hizo Raspberry Pi 4, y tampoco omitas las resistencias. Si omite las resistencias, el puerto tipo C ascendente no proporcionará 5 V a su dispositivo; muchos dispositivos baratos las omiten. No se proporciona alimentación sin las resistencias de 5,1 kΩ, a menos que utilice un cable USB-A a USB-C para alimentar su dispositivo. Si omite una de las resistencias, solo funcionará una rotación del puerto; algunos dispositivos baratos solo tienen una resistencia.

Cada dispositivo USB-C que quiera recibir 5 V en cualquier punto tiene esas resistencias, ya sea integradas o dentro de un IC de comunicaciones USB-C. Para un propósito simple de “5 V y USB 2.0”, puede usar resistencias al 1% de 5,1 kΩ. Dicho esto, en caso de necesidad, puedes poner en paralelo dos resistencias de 10K y realmente funciona. Personalmente, acabo de pedir un carrete de resistencias de 5,1 kΩ y han sido de gran ayuda. Si tiene un puerto donde el diseñador olvidó agregar estas resistencias, también puede pedir algunas cuñas FPC que ayudan a soldar dichas resistencias en un tipo popular de conectores.

Tiene muchos conectores USB-C para elegir, y los de 16 pines son los favoritos de la multitud, con un montón de conectores compatibles con pines disponibles para comprar en cualquier lugar y razonablemente fáciles de soldar a mano, especialmente si tiene mecha de soldadura. para corregir errores. Asegúrese de no utilizar conectores sin pines CC: como no puede conectar resistencias desplegables, no es posible hacer que dichos conectores funcionen con puertos tipo C reales y solo funcionarán con un USB-A a USB. -Cable C, lo cual es una limitación importante.

Por supuesto, USB-C es mucho más que solo 5 V @ 3 A y USB 2.0, como mencioné, y le mostraré cómo puede acceder a todas las demás posibilidades. Sin embargo, es importante que recuerdes la fórmula que se muestra, ya que es la que usarás con más frecuencia y también te ayudará a comprender otras fórmulas. Mientras tanto, puedes usar pines SBU para exponer algunas conexiones de depuración como un UART, porque nada excepto DisplayPort usa SBU. Sin embargo, puede ser complicado encontrar enchufes que expongan SBU en un factor de forma soldable a mano. Y, si alguna vez ingresa a las grandes ligas de los piratas informáticos de puertos USB-C, ¡también puede implementar la depuración de manera compatible con los estándares!

El cumplimiento de los estándares USB-C para un hacker es un arma de doble filo. Si no cumples, puedes destruir una computadora portátil, o puede que te beneficies enormemente sin peligros ni desventajas. Algunos escenarios están "prohibidos" no porque sean realmente peligrosos, sino porque se consideran confusos para un usuario promedio o no resultarán en una funcionalidad óptima y, en muchos casos, el peor resultado en caso de incumplimiento es que alguien en Internet podrían enojarse contigo por un detalle.

En las próximas entregas, hablaré de cosas que son francamente terribles y que nunca deberían haberse hecho. También le mostraré cómo violar suavemente (o severamente) los estándares cuando podría beneficiarlo o tendría sentido, y cuando podría parecer que podría violar los estándares, pero en realidad no debería hacerlo. Aquí hay una guía: cuando escuche que algo que desea usar viola los estándares USB-C, es muy importante cuáles serán las consecuencias en su aplicación específica.

¡Aprendamos, propaguemos y violemos juntos el estándar USB-C! Te veo la proxima semana.