[接口转换器]C扩展坞

创作立场声明：接续上篇文章。继续将在实际使用过程中学习到的知识与妈友分享

追加修改(2021-09-17 14:45:11):补充四点内容：一、关于雷电3、4。还有一些带宽上的限制。比如雷电3的数据带宽有22Gbps的限制。雷电4将这个带宽提升到了32Gbps。相当于雷电3硬划分了18Gbps给DP通道。雷电4最小预留8Gbps给DP通道。实际使用上。如果上了双4k60hz10bit。那将是15.64Gbps+15.64Gbps的视频带宽。数据带宽就只剩下了8Gbps。C扩展坞二、（单接口）扩展坞的产品非常多样。价格在100-300元区间。一个HDMI输出。两三个USB-A输出。C扩展坞或者有RJ45网卡接口。C扩展坞或者有SD/TF读卡器。甚至还有一些带有USB-PD。但可以说。普遍采用了2+2的硬连线方案。最多做一个固件写死的MUX芯片。这种设备能够支持DP 1.4那能够满足4k60hz8bit。上HDR普遍靠8抖10。三、有部分产品具有两个Type-C接口。那就相对简单了。一个接口负责4+0的全视频信号传输。而另一个则全负责USB数据信号的处理。这样你就可以理解为是两个扩展坞。即便是物理上它是一个盒子。四、Type-C接口上四对数据线。在DP信号看来因为是单向传输。所以是四套通路；而在USB上看来。因为既收又发。所以算作两条通路。即USB 3.2 Gen 2x2中x2的意义——两条通道。文章中均已DP视角讨论。说到此。最后谈论（吐槽）一下接口。Type-C看似一线通。但是接口设计在如今的数据需求上已经显现短板。特别是这个接口为了兼容USB2.0/1.1这样的设备。为了兼顾正反盲插的操作。在A6/7和B6/7占用了两对数据通路（能力达到5Gbps*2）却只满足了480Mbps的需求。严重浪费。所以RTX 2080Ti显卡上的Type-C接口将这两对数据通路用于了传输VRC扩展坞视频数据。这样的接口设计还将在USB4/TB4上延续。接口标准应当适时做一修正了。

前情摘要

书接上篇《【避坑指南】2021年分水岭般的4K60p》。那篇文章里汇总了很多基础概念、相关知识。并且把数据拉出来分析了一番。而返回头再来看那篇文章的话。最后的分析更加侧重于DP Alt Mode下显示数据和USB数据的分配问题。其他相关的情况没有提及。现实上。对笔记本电脑具有直接意义。所以这个现实意义就体现在Type-C扩展坞的选择上。本文则补全这一块。

针对Type-C、DP Alt Mode这个问题。我又反复研究了个别扩展坞配件。及其拆解视频。积累了一些知识。于是在此继续分享。明确一些知识。看看如何在Type-C扩展坞的选购上避坑。当然了。鉴于本人的风格——知其然知其所以然。本篇还会侧重一些理论知识。只不过这次会比上回稍微实用一些。不过我还是坚持。知道怎么回事之后。根据自己的实际情况。来选择设备。

Type-C扩展坞到底什么原理

历史上。由于没有统一的实施方案。实现主机接口的外部扩展。只有主机大厂才具备自定义能力。C扩展坞以及生产真·扩展坞的实力。比如最早期IBM ThinkPad的底部接口及其各型底座。C扩展坞以及后期联想在历代机型中开发过的如OneLink、OneLink+等各种接口；同期一些小厂没有主机的设计能力。只能在USB上做文章。弄出了多种USB-Hub。

而现如今。随着DP Alt Mode这项关键标准的制定。C扩展坞以及接口形式的Type-C化统一。外置扩展坞可以不再需要设计专用接口。主机厂、外设厂可以凭借统一的接口各自为战。同时相应芯片的低成本化。以往小厂不能做的事情。现在信手捏来。于是。我们实际看到了一个从几十元到上千元价格跨度的产品集合。知其然知其所以然。我们来大致认知一下相关内容。

主机端、设备端原理图

在一个实现了显示输出的扩展坞的主机端和设备端基本如图示结构。其中最关键的就是双侧的MUX芯片（multiplexer数据选择器）。由于Type-C线缆中的线路有限。显示和数据共六路信号要通过四路主干数据通道传输。于是双侧的MUX均只能取舍。要么给4Video+0USB。要么2Video+2USB。这也就是DP Alt Mode——上篇有介绍。插上数据线。双端的主控芯片相互握手。确定MUX状态。作为下游输出的设备端向主机端明确到底是4+0还是2+2。但是实际上。设备端（扩展坞）的控制芯片（Dock Controller）在出厂时已经通过固件设定了一种模式。即2+2。甚至有一些设备直接省略了这个芯片用硬连线实现2+2。

第C扩展坞二个关键的芯片。个人认为应该是Video Sink。大家的Type-C扩展坞买来普遍是想要显示输出的。而这个芯片就决定了到底输出能力如何。从主机显卡过来的信号。经过两层MUX。再到这个芯片。是2Lane的DP信号。C扩展坞按照HBR2的能力顶格8.64Gbps（仅够4k30hz）。C扩展坞按照HBR3的能力那就能到12.96Gbps（满足4k60hz8bit）。然后这个芯片传话给DP或者翻译成HDMI甚至转码为VGA。通过物理接口将数据发送出去。根据芯片的能力实现接口输出的能力。而另外一个较为关键的芯片USB-Device。那就是各种扩展了。上游MUX能够给到2*5Gbps的能力。下游扩展USB-C、USB-A、网卡、耳麦（声音芯片）、SD/TF读卡器。C扩展坞以及各种能够通过USB扩展出来的新鲜玩物。

具体案例

ThinkPad USB-C Dock Gen 2 （40AS）

经过比选。我为新笔记本电脑配置了这个扩展坞。设备能力在此官方说明：ThinkPad USB -C Dock Gen 2（我个人倾向于到美国网站看说明。比较全而且内容清晰完整。照顾大家我切了繁体中文。其实看英文会更准确）。拆开之后。板子和芯片说明那个如下。

ThinkPad USB-C Dock Gen 2 主板

可以看到。从右到左。首先经历了TUSB1064（详细文档：datasheet）这个MUX。旁边的CY7C65210（详细文档：CY7C65210, USB Billboard Controller）控制TUSB1064的工作状态。即4+0还是2+2。图上可以相对清晰的看到数据线走向。其中比较明显的是从TUSB1064左侧接出四对到VMM5322BJG（没有文档。只有介绍：视频接口IC。查找VMM5320）。燃鹅接出四对又怎样。控制芯片锁死了2+2模式。但无论如何。2Lane的DP经过这个芯片转换成2*DP 1.4接口和1*HDMI 2.0接口。C扩展坞再往左走。TUSB1064的其他一些接线通过穿板走到VL820-Q7（文档：威鋒電子。一拖四的USB Hub）。两路走USB-A 10Gbps。一路走下游VL820-Q8。一路走GL850G（一个USB2.0/1.1的USB Hub）。最后。VL820-Q8连接一个USB-C接口一个USB-A接口。C扩展坞以及一个网卡控制器RTL8153B和一个音效CX21985。整个板子的结构就这样弄清除了个大概。那是不是一下子会看板子了呢。

其中两个重点。一个是MUX芯片（TUSB1064）。看其详细的数据指标文档。提到了支持DP 1.4支持USB 10Gbps。而且可以由GPIO或者I2C来控制4+0还是2+2。但是很明显。控制芯片（CY7C65210）的固件写明白了就是2+2。甚至我还找到了这个扩展坞的固件升级程序。确实有一个小组件是控制芯片的固件。但是全是无法猜透的编译C扩展坞二进制文件。只能作罢。另外一个就是VideoSink芯片（VMM5322BJG）。这个芯片一样支持DP 1.4 / HBR3。要注意这一点。这个芯片输出两路DP 1.4和一路HDMI 2.0。所以它会混流。从上游主机端以DP 1.4 / HBR3 / 2Lane进行通信。达到12.96Gbps的带宽。然后向下游三个输出端口根据显示器的能力输出信号。但这里有一个超纲题。我利用这个盒子做到了4k60hz8bit + 2k60hz8bit。C扩展坞按照带宽加和。应该是12.54+5.63=18.17>12.96。这点我没有想透。也许开启了DSC。

戴尔DA310

一款好用不贵而且设计很有特色的产品。对比DA300主要指标是多了PD。

DA310结构拆解。图片来自知乎Leaves

这个扩展坞功能上。没有什么硬伤。线缆直接分拆两个板子。C扩展坞通过主机端的MUX实现Type-C的正反插判断。既然都硬走线了。肯定2+2。两个板子分别是视频子板（C扩展坞以及PD功能）和数据子板。视频子板最大的芯片是RTD2182S。实现了HDMI、VGA、DPC扩展坞以及进一步USB-C DP Alt Mode的输出。至于数据子板上。FL5500提供了1拖4 USB3 HUB。两路USB-A输出。一路到RTK8153网卡。空置一路。

DockCase DPR91S

一款神奇的产品。神奇在于。前边说了除了硬连线。如果通过控制芯片。是可以控制MUX进行4+0和2+2的切换的。而且如果把这个做到运行时动态切换。那岂不美哉。之前有过一款产品是有一个切换的拨动开关。而本款产品。通过配置实现“软”设置。

PS8822逻辑结构。图片来自官网

这款设备采用了PS8822（PS8822 – USB-C® Retiming/Redriving Switch for USB 3.2 Gen 2x1 device and DP HBR3 Sink）。支持USB 3.2 Gen 2(10Gbps)和DP Alt Mode / DP 1.4 HBR3。但是这款设备的Video Sink选用了相对价格低廉的PS186（PS8822 – USB-C® Retiming/Redriving Switch for USB 3.2 Gen 2x1 device and DP HBR3 Sink）。将DP 1.4转换成HDMI 2.0。这其中从带宽方面看HDMI 2.0的14.4Gbps成为瓶颈——别忘了盒子还能设置为4Lane模式。那将是25.92Gbps的超级带宽。可惜了。别的。这款盒子就没有什么特别项了：FL5500除了USB-A口。下游接RTL8153网卡和GL3231S SD/TF读卡器。

绿联8K USB-C扩展坞

绿联最近出品的一款扩展坞。亮点是HDMI 2.1。终于摆脱了14.4Gbps的束缚。可以迈向至少4k60hz10bit (15.68Gbps)。当然HDMI 2.1的总体能力是能够支撑到8k30hz10bit乃至8k120hz10bit（DSC压缩）。拆开来看。没有MUX芯片。没有控制芯片。只有三个芯片：PD、USB、Video。线路上。2+2定死。那么即便HDM 2.1。受到上游只有DP 1.4 / HBR3的话。最大仍然是12.96Gbps。这么说HDMI 2.1还是2.0。无所谓喽。从芯片看。采用VMM6110。上游也仅支持HBR3。即便将来连接一台DP 2.0的主机。对不起。这个盒子还是怂。当然从芯片的维度。支持4Lane输入。那就是25.92Gbps了。

雷电3/4

以上说的都是DP Alt Mode。Type-C的四对数据线中既要承载数据又要承载视频。然后各自找各自的线。各自传各自的信号。C扩展坞而雷电呢。则高端多了。雷电双端其实也都有MUX型的东西。只不过这个芯片更高端。可以干更高级的事情——将数据混流。

雷电4原理图

TB4的总带宽与TB3一样是40Gbps。相当于每条数据通道提供了10Gbps的能力。TB Switch将上游过来的PCIe和DP信号进行混流。统一打包塞给对端的TB芯片。对端的TB芯片解码分流。再给下游的相应芯片用于输出。于是这就不再局限于到底是4+0还是2+2了。这是4/4的模式。当然了。高端的能力。总是需要高端的价格来表现其高端。

总结

设备千千万。价格高高低。我们始终没有足够的钱把所有设备都买来实验出到底哪个适合自己。但是通过网上的各类评测。我们能知道大概。可是现在的评测灌水与否。虽不是普遍。但也无法控制良莠。那干脆。自己搞清楚其内在逻辑。通过拆解文章。看到其中的芯片版型架构。进而搜索相关资料。得出自己的结论——C扩展坞别人说始终是别人说。自己说才是自己说。

希望第C扩展坞二篇略深奥的文章—划掉—文档。能够给大家提供一些进一步的知识。

C扩展坞