TYPE-CPD升压协议全解析讲解

TYPE-C PD是Power Delivery的简称，代表着电力传输的一个通讯协议。一个简单的TYPE-C PD使用环境，需要下面几个设备构成：HOST，DEVICE，CABLE（即：主机，从机，EMARKER）PD的协议书主要的内容集中在：PD协议的BMC编码规则；PD协议的4B5B解码；PD协议的通信流程；PD协议的通信指令结构；PD协议的通信内容解析；PD协议独立与USB协议之外，但由于TYPE-C口的兼容特性，可以让PD协议，QC协议，MTK协议，FCP协议等快冲协议熔于一炉。PD的物理层由发射模块和接收模块组成，由于CC是单线协议，所以所有通信都是半双工的。BMC编码规则是曼切斯特编码的一个版本，按照脉宽来设定的0和1。 图一可以从上图看出，01的编码并不以电平的变化为依据，而是按照脉宽来决定。BMC的最大频率达330KHz，单指令长度在1ms内。通过逻辑分析仪对波形的读取，我们可以看到未经BMC解码的原码 图二通过BMC从左到右按照脉宽解码后，我们可以得到一系列01的无序组合。通过对01组合的观察，可以看到从左开始有64对01的前导码，来作为数据的等待和除干扰。64对前导码后，才是需要关注的数据内容。通过BMC解码后，并去除前导码的数据，也并不是最终可以解析的数据。PD通信协议在这里增加了一个软编码，称为4B5B编码。即接收到的数据每5个二进制数据，需要经过一个4B5B编码表还原成正确的PD通信数据。看到这里，都可以想到无线电的加密工作了，但是PD官方资料给出的解释是4B5B是为了降低接收器的设计复杂度并且允许更加多样化的接收器设计。4B5B的解码表如下：图三根据图二我们可以做一个4B5B的解码例子：取出图二中引导码后，我们可以得到的数据是，00011 00011 00011 10001 10010，通过上述4B5B表格进行解码后我们得到最终的数据为：SYNC1-SYNC1-SYNC1-SYNC2-1。看到这里可能你有疑问，00011在表格中不是Reserved吗？是的，没错，4B5B还有个编码规则，就是从左到右记录数据时，需要将读取的数据倒过来编译，即00011要倒成11000。由于PD通信的流程复杂，且BMC解码后的数据往往长达上百位，人工编解码耗时耗力且容易出错，所以需要使用一些自制的电脑软件来进行辅助解码，于是才有了下面的自制解码软件。图四 该软件就包括了4B5B的解码，和数据内容的解析，能够快速的将BMC解码的数据内容转换成功能定义。PD协议内容繁多，主要包括以下流程：Power Negotiation 电压协商流程（电压升降压）Gotomin Operation Soft Reset 软件复位流程Hard Reset 硬件复位流程Cable ResetPower Role SwapFast Role SwapData Role SwapVCONN Swap Addition Capability and Status Security 密钥流程Firmware Update 固件升级流程Structured VDM 厂商自定义结构流程BIST PD协议时序测试流程今天我们就根据Power Negotiation讲解PD电压升降的流程结构。Power Negotiation流程发生在Source与Sink之间，在这里Source可以是适配器，可以是车充，也可以是移动电源。Sink可以是任何支持TypecPD的受电端。Power Negotiation 的协议流程包括以下PD指令：Source send CAPABILITY 供电能力指令（包含内容：具有哪几种电压值和电流值）Sink send REQUEST 需电请求指令 （包含内容：选取哪种电压和电流值）Source send ACCEPT 同意需电请求指令 （包含内容：经过对比需电在自己的供电范围内）Source send PS_RDY 完成需求指令 （包含内容：已经成功进行能电压改变）GOODCRC 指令接收通过指令在实际应用中这些指令是怎么操作的呢，接下来我来详细述说：首选Source端工作在TYPE-C的CC模式5V3A检测模式下，一旦检测到有SINK受电端接入，便开始输出5V给SINK端。而这时在CC线上，Source开始不间断发送Source send CAPABILITY指令，SINK端接收到Source send CAPABILITY指令后，判断PD通信数据符合协议规定，便回复GOODCRC表示已经成功接收到数据，接着SINK会根据Source端能够提供的电压进行选择，SINK选择好合适的电压电流便对SOURCE进行供电请求，于是SINK发出Sink send REQUEST进行需电请求指令。Source接收到Sink send REQUEST后，会给SINK回复GOODCRC，然后对Sink send REQUEST指令请求的电压进行校对，如果符合Source的供电能力，Source便对SINK发Source send ACCEPT指令，表明同意SINK的端电压请求。SINK接收到Source发送的ACCEPT指令后，回复GOODCRC。Source接收到SINK发出的GOODCRC后，便开始进行电压调节，电压调节成功后，便发出Source send PS_RDY表示已经调整电压成功，SINK收到后，便回复GOODCRC表示接收指令成功。以上就是一个完整的升压指令流程。PD的通信指令（就升压来说）有两种方式一种方式是控制包，而另一种是带数据包。指令包格式如下：图五一个完整包结构包括引导码，SOP*使用场景码，Message Header功能码，Byte0-n数据码和CRC校验码，EOP结束码。如果Byte数据码没有，说明指令仅仅作为控制指令使用，没有数据内容，所以叫做控制包。有数据内容的叫做数据包，通常数据包里携带了要变化的电压值和电流值等信息。引导码：BMC解码后可以看到由64对01组成，主要为了进行接收缓冲。SOP*码：BMC解码后由20位的二进制数组成，通过4B5B解码后我们可以看到SOP由Sync1和Sync2的解码值构成。表明该指令是应用在Source与SINK之间。此处还有SOP，SOP的场景码，表明是Source与E-marker之间的场景指令。Message Header功能码：BMC解码后由20位的二进制数组成，经过4B5B解码后为16位二进制数据构成。Message Header通常包括：数据包还是控制包说明，是由SINK还是SOURCE发出的指令，PD的协议版本，如果是数据包还包含了有多少个数据包的信息。详细表格说明如下：图六其中，低四位二进制码比较重要，代表的是该PD指令的名字，比如说升压中用到的Source send CAPABILITY就是又这四位来定义的。其它指令的定义表如下：图七 在指令包的结构中，过了Message Header向右就是数据区域，通过4B5B的转换后，SOP是16个二进制位，Message Header也是16个二进制位，而数据区域，每个独立的数据块包括了32个二进制位。所以Byte0（32位）Byte1（32位）.那么新的问题又来了，一条完整的指令包到底怎么判断包含了多少的数据块呢，这个时候就需要由Message Header来进行判断了。Message Header的12到14位表示1到7个数字，代表的就是指令包的数据数量，所以我们可以认为指令包的最大数据数为7。数据模块一般应用在Source send CAPABILITY，Sink send REQUEST等这样需要带电压电流的PD指令中。 数据模块右边就是一个32位的数据校验区域，也称作CRC校验。CRC校验是PD通信协议中独特的一套校验方式，为了保持数据的完整与纠错，整个PD指令任何一个位变动，都会造成CRC改变。 经过了引导码，SOP码，MessageHeader，data码，CRC码后，接下来就是EOP码即结束吗，在4B5B中我们可以看到接收到01101的BMC编码，即代表PD指令包全部接收完毕。下面我们就实际做一次PD协议分析：首先准备好待测试的PD适配器，PD数据线（两头都是TYPE-C的那种），PD测试架，逻辑分析仪。然后将插拔过程中PD的数据流程通过逻辑分析仪读取出来如下：图八 首先我们要做的就是PD指令的BMC解码，将脉冲长短变化成二进制数据，然后通过协议分析软件进行代码解析，为了更好的讲解，我们先人工分析一条指令。图九引导码由64位二进制的01组成，这一段可以直接略过。图十SOP*码从左到右BMC解码后等于：00011 00011 00011 10001根据图三进行4B5B解码我们可以得到：SYNC1-SYNC1-SYNC1-SYNC2于是我们可以知道，该指令属于SOURCE与SINK之间的指令。我们接着往下分析：图十一Message Header码从左到右BMC解码后等于：10010 01110 10010 00101通过4B5B解码后为：0001 0110 0001 001015到0位为：0010 0001 0110 0001 根据图六可以得到以下信息：从15，14，13，12位可以得到此PD指令包括2个数据块。从11，10， 9位可以知道此PD指令正在进行第一个回合。（PD指令+GOODCRC指令为一个回合）从8位可以得知此PD指令由SOURCE发出。从7，6位得知指令遵循的是PD2.0规则。从5得知发指令的设备角色为DFP。从4，3，2，1，0得到00001并查阅图七得到该指令名：Message Header指令，为电压协商协议的发起指令。数据指令过长过程不再详叙，用协议软件可以分析得到：图十二接下来我们用协议软件分析，速度会快很多，能够迅速掌握这个流程功能和异常：图十三此指令为上条Message Header的回复指令。接着下条指令为：图十四 此为SINK端发出的Sink send REQUEST指令，我们可以得到相关信息，已经SINK请求的电压等级。SOURCE端的回复指令：图十五从该指令信息中，我们可以知道该信息由SOURCE发出，用来回复SINK端发出的电压请求。接着SOURCE端收到指令后，又发出的指令：图十六 该指令信息为SOURCE发出的ACCEPT指令，由上述流程的介绍可以知道，该指令表明SOURCE端同意了SINK的电压升压请求，并开始做好升压的准备。接下来SINK端发的GOODCRC，如下：图十七 该指令为SOURCE发的第二条指令，所以SINK回复的GOODCRC中的MSGID这里开始计数到001；与此同时，SOURCE端的硬件已经进入升压模式，由于升压要一定时间，所以PD通信会有90ms多的延时，才迎来了第三条SOURCE指令，如果流程没有错的话就是 PS_