USB-C-Alt-Modes: Wie aus USB Displayport oder Thunderbolt wird

In einer Reihe alternativer Modi überträgt USB-C andere Protokolle. Wir erklären, wie das funktioniert.

Artikel von Johannes Hiltscher veröffentlicht am 23. Februar 2023, 12:30 Uhr

Wie kommen Displayport und HDMI durch das USB-C-Kabel? (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)

USB-C kann eigentlich so ziemlich alles: Geräte mittels Power Delivery mit Strom versorgen, Daten mit einer kaum überschaubaren Anzahl an Geräten austauschen – und Bilder an Monitore übertragen. Letzteres funktioniert über alternative Betriebsmodi, kurz Alt Modes. Am bekanntesten ist der Alt Mode für Displayport, aber auch Thunderbolt und HDMI sind über den ovalen Stecker möglich, auch wenn der HDMI-Alt-Mode nicht weiterentwickelt wird.

Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen wir zunächst einen Blick auf den Stecker werfen. Nachdem bereits USB 3.0 die Steckverbinder erweiterte, kamen bei den USB-C-Verbindern noch einmal eine Reihe neuer Signale hinzu. Da finden sich zuerst die klassischen USB-Datenleitungen: Um mit vertretbarem Aufwand abwärtskompatibel zu bleiben, ist noch immer ein Leiterpaar für USB 2.0 vorhanden. Daneben existieren Kontakte für die vier Signalpaare der Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Außerdem ergänzt USB-C noch einige sogenannte Seitenbandsignale. Die werden gleich noch wichtig.

Von den Hochgeschwindigkeitsverbindungen nutzt USB nicht zwangsläufig alle: Nur Geräte, die einmal die Namenserweiterung x2 trugen, nutzen alle vier Leiterpaare. Anders als USB 2.0 (und seine Vorgänger) werden die Hochgeschwindigkeitsleiter nicht mehr als Bus verwendet, sondern exklusiv als Up- (Gerät zu Host) oder Downlink (Host zu Gerät). Sie können mit 5 bis 40 GBit/s (USB 4.0 Version 2) betrieben werden.

Gleicher Stecker, andere Signale

Damit sind wir dann auch bei den Display-Schnittstellen: Auch die verwenden vier differenzielle Leiterpaare, allerdings nur in eine Richtung, üblicherweise von einer Grafikkarte zum Monitor; auch Thunderbolt nutzt vier Leiterpaare. Daneben verfügen sowohl Displayport als auch HDMI noch über einige Signale zur Übertragung von Seitenbandinformationen mit geringer Bandbreite, etwa zur Übertragung der Extended Display Identification Data (Edid) und Hot-Plug-Erkennung.

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Der USB-C-Stecker verfügt über deutlich mehr Kontakte als die klassischen Typ-A- und -B-Stecker. Erst damit werden die Alt-Modes möglich. (Bild: USBIF)

Damit erfüllt der USB-C-Stecker also rein technisch alle Voraussetzungen. Der Teufel liegt hier, wie so oft bei USB, im Detail: Sowohl die Buchsen als auch das Kabel müssen alle 14 Datensignale übertragen – acht für die Hochgeschwindigkeitsverbindungen, zwei für USB 2.0 und vier Seitenbandsignale. Auch der Chip wird etwas komplexer als für reines USB, da die beiden Hochgeschwindigkeitsempfänger im Alternativmodus senden müssen und die Protokolle nicht identisch sind.

Rein technisch unterscheiden sich die Schaltungen dabei kaum, da sowohl die Transceiver als auch die Leitungscodierung von USB und Displayport sehr ähnlich sind. Die Transceiver übernehmen die Wandlung digitaler Daten in analoge Signale (und umgekehrt), die Leitungscodierung (g+) ermöglicht Synchronisation sowie die Übertragung von Steuerinformationen und verhindert starke elektromagnetische Störimpulse.

Abgesehen vom Bittakt sind USB und Displayport identisch: Beide betreiben die Datenleitungen mit einem festen Bittakt, 8b10b- oder 128b130b-Codierung und beide übertragen Daten paketbasiert. Thunderbolt nutzt fast identische Mechanismen, hier werden wie bei USB je zwei Leiterpaare als Up- und Downlink verwendet, der Encoder muss allerdings noch 64b66b-Codierung unterstützen. Die verwendeten Bittakte sind teils verschieden, aber auf rund zehn diskrete Werte beschränkt. Auch die Signalpegel sind nicht willkürlich gewählt, hier sind wenige Standardpegel gebräuchlich. Der Mehraufwand für die komplexeren Transceiver bleibt damit überschaubar.

Größere Unterschiede tauchen erst in den höheren Schichten auf, etwa bei der Datensicherung mittels Vorwärtsfehlerkorrektur. Auch abseits von USB zeigt sich seit Jahren ein Trend, Transceiver für verschiedene Aufgaben zu nutzen, etwa in Systems-on-Chip alternativ für PCIe oder SATA. Das spart Chipfläche, ohne Flexibilität einzubüßen, da Transceiver im Vergleich zur Logik der höheren Protokollschichten viel Platz benötigen, wie auf dem Die-Shot zu erkennen ist (links oben im Bild die PCIe-Transceiver oder PHYs):

Intel did provide a better RKL die shot:https://t.co/cpuysMOQMb

I straighten it and updated the previous annotations with the new image (orig. proportions were not kept)
The face of the GT1 solution on RKL looks creepy now and not aztec anymore, that's very important to note. pic.twitter.com/7OhPHCHryw

— Locuza (@Locuza_) January 12, 2021

HDMI fällt aus der Reihe

HDMI hingegen fällt ziemlich aus der Reihe, was zur geringen Akzeptanz des HDMI-Alternativmodus beigetragen haben dürfte. Bis einschließlich zur Standardversion 2.0b verwendet HDMI einen variablen Bittakt, der von der Auflösung des übertragenen Videosignals abhängt. Das macht komplexere Transceiver erforderlich, die über einen größeren Frequenzbereich funktionieren müssen. Pakete gab es bei HDMI vor Version 2.1 nur in sehr rudimentärer Form.

Auch belegt der HDMI-Alternativmodus immer den kompletten Stecker, Displayport ist da, wie wir gleich sehen werden, flexibler. Denn die bislang vorgestellten Alternativmodi sind nur die einfachsten möglichen Lösungen, USB kann aber noch mehr.