带大家认识什么是USB.PD协议
usb pd（power deliver）协议是usb if协会制定的usb充电标准与技术，是目前主流的快充协议之一，其最大供电能力可达100w，被应用在各种设备的电源上。usb pd协议利用usb type-c接口的cc(configuration channel)引脚作为数据传输通道来协商充电的电压、电流和功率传输方向，在介绍usb pd协议的具体内容之前，先简单介绍一下其依赖的usb type-c接口。
如上图所示，type-c接口可以完全替代type-a、type-b、micro ab等各种usb接口，实现数据传输、电力传输。usb pd协议就是基于type-c接口的强大功能实现的。type-c接口的引脚示意图如下所示，vbus为总线电源，d+、d-为usb2.0的差分信号线，tx+、tx-、rx+、rx-为superspeed差分信号，sbu（sideband use）为旁路使用，cc为配置通道。type-c接口最大功率传输可达100w(20v/5a)，最大数据传输速率为10gbps。可以看到，在公头上只有一个cc引脚，母头上的cc引脚是对称的，所以也可以利用cc引脚判断正反插。
usb pd协议的工作原理是利用type-c接口的cc线作为数据线来协商电压、电流以及供电方向，整个通信过程需要按照特定的数据包格式，并且存在相互认证的过程。下面先介绍一些usb pd中常见的名词，这些名词在后面也会用到。
source：通常指电源提供端，如电源适配器。
sink：通常指电源消耗端，如手机、平板。
e-marker(electronic marker)：电子标记，一般存在于type-c to type-c的线缆中。
cc(configuration channel) ：配置通道，用于识别、控制等。
bmc(biphase mark coding)：双相位标识编码，通过cc通信。
dfp(downstream facing port)：下行端口，即为host或者hu b下行端口。
ufp(upstream facing port)：上行端口，即为device或者hub的上行端口。
drd (dual-role data)：能作为dfp/ufp。
drp (dual-role power)：能做为sink/sour ce。
sop(start of packet sequences)：所有的pd传输流程，都是以sop开始，sop代表sop，sop’，sop’’。
eop (end of packet)：数据包结束标志。
usb pd协议通过特定格式的数据包进行通信，数据包的格式如下所示。
一个完整的usb pd数据包由前导码(preamble)，使用场景码(sop)，功能码(messageheader)，数据码(byte0-n)、校验码(crc)以及结束码(eop)组成，如果数据部分为空，说明数据包仅作为控制指令使用，称为控制消息。有数据内容的称为数据消息，通常数据消息里包含了要变化的电压值和电流值等信息。整个usb pd数据包中，除了前导码不需要进行4b5b编码外，数据包的其他部分均需要进行4b5b编码，指定数据经过4b5b编码后，数据包中所有数据都需要使用bmc编码之后才能通过cc发送。4b5b编码和bmc编码会在下一章节详细介绍。
前导码(preamble)
前导码(preamble)是为了锁定接收端，预示发送端将要有数据到达，前导码由64位交替的‘0’和‘1’组成，以’0’开始，以’1’结束。
使用场景码(sop*)
所有的usb pd传输流程，都是以sop开始，sop代表sop，sop’，sop’’。不同的使用场景会用到不同sop，每一个sop也由不同的特殊编码组成。如sop是由3个sync-1和1个sync-2组成，对应的5b编码可以在4b5b编码表中查到。
数据包使用sop作为开头，说明该数据包是在source与sink之间进行的。
sop’由2个sync-1和2个sync-3组成，其顺序如下图。
sop’‘也是由2个sync-1和2个sync-3组成，但是其顺序与sop’不同。
数据包使用sop’或sop’’，则说明是source与e-marker之间的通信过程，不同的是，sop’体现的是source与线材近端e-marker的通信，sop’'体现的是source与线材远端e-marker的通信。
功能码（message header）
功能码长度16-bits，通常包含数据包类型、端口角色（ufp/dfp)、pd协议版本等信息，功能码的组成如下图所示。
从列表中可以看出，不同的功能码需要特定的sop*，这个在之前也有提到，下面介绍一些常用的功能码。
extended
extended是用来表示该数据包是否包含外部指令的功能码，该位置1，表示数据包中存在外部指令，反之则没有。如果数据包中包含外部指令，指令内容会跟在功能码后面进行传输。usb pd协议的外部指令使用的比较少，在这里就不做详细的介绍了。
number of data objects
当extended置0时，number of data objects才可以使用，该功能码有3-bits，用来表示功能码后跟的数据的位数，如果number of data objects置0，则表示功能码后没有数据，该数据包为控制消息。如果该功能码置1，则表示该数据包为数据消息。
port power role & port data role
这两个功能码都是表示端口的电源角色（source/sink)和数据角色（dfp/ufp），该位置1时表示source/dfp，该位置0表示sink/ufp。
message type
message type有5-bits，是功能码中比较重要的位，需要和number of data objects 结合使用，前面提到number of data objects决定了数据包的消息类型，message type 则表示具体的指令类型。当number of data objects置0， message type则可以表示以下控制指令。例如当接收器成功接收数据包并crc校验正确后，会向发送端发送带有goodcrc和message id的数据包，来表示通信成功。
当number of data objects置1时，data message types可表示以下指令，例如source会在通信过程中向sink发送source_capabilitties来表示供电能力，sink可以从供电能力列表中进行选择并通过request指令发送给source端。
数据码(byte0-n)
数据码只有在数据包类型为数据消息时才会使用，具体的数据内容需要根据指令的内容改变，例如在使用source_capabiliities消息指令时，数据码就会存放source的供电能力。数据码同样需要使用4b5b进行编码。
校验码(crc)
功能码和数据码都需要由32bits的crc校验进行保护，校验码的生成机制比较繁琐，一般都会使用查表的方式实现，在这里也不做详细的介绍了，感兴趣的小伙伴可以参考usb if协会的官方文档。
结束码(eop)
结束码表示整个数据包的结束，在4b5b编码表中可以找到对应的5b编码，为01101。
4b5b编码
0x02 usb pd协议的编码方式
在usb pd协议的数据包中，除了前导码(preamble)之外，其他部分均需要使用4b5b编码，官方的说法是为了降低接收端设计的复杂度，提高接收端设计的自由度。4b5b编码的原理是建立一个4b5b编码表，将4-bits的数据与5-bits的数据进行对应，发送端根据编码表对4-bits数据进行编码，接收端根据编码表对5-bits数据进行解码，编码表的具体内容如下图所示。
从图中可以看出，除了基本的hex数据外，还定义了一些特定的编码，如sync-1、rst-1等，这些特定的编码会组成sop*，在介绍usb pd协议数据格式时也有提到。另外，编码表中还预留了多个未定义的5b编码，可以作为的扩展指令使用。
bmc编码
usb pd协议的数据包中，所有的数据都需要使用bmc进行编码，bmc编码属于物理层的操作，经过编码之后的数据通过cc线进行传送。
上图为bmc编码的示例，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，从示例中可以看到，在一个周期里有高低电平变化为1，否则为0。
usb pd协议编解码流程
以上详细介绍了usb pd协议数据包的格式和各个部分的功能，那么对于一个完整的数据包，发送端发送的流程是什么，接收端接收到数据之后会进行哪些处理呢。
上图为一个完整的数据包发送和接收的流程图，可以看到，在发送数据时，需要将经过crc校验后的数据使用4b5b编码，再使用bmc编码才可以通过cc发送。在接收数据时，首先进行bmc解码，然后需要确定sop的位置，因为sop后的数据才是真正的有用的数据，再进行5b4b的解码，校验crc。
介绍完理论，来看一下在实际的数据包。下面是使用逻辑分析仪抓取的usb pd协议通信数据包，使用上面介绍到的内容对这个数据包进行解析。
首先，bmc解码，根据bmc编码规则，识别出’0’和’1’，已经标注在图中。sop识别，标注出的前20 bits为00011 00011 00011 10001，我们可以将这些数据理解为4组经过4b5b编码的数据，由于在传输数据时采用大端模式，所以需要将数据的高低位交换，转换之后为11000（sync-1) 11000（sync-1) 11000（sync-1) 10001(sync-2)，也就是sop(sync-1、sync-1、sync-1、sync-2)。同样的，sop后的数据也需要先高低位交换，识别结果为source_capabilities，说明该消息是用来表明source的供电能力的，那么数据包中也会包含数据码，分析的方法跟前面也是一样的。
在日常的工作中，其实并不需要手工去分析大量的usb pd的消息类型，目前大部分逻辑分析仪都可以对usb pd协议进行解析，另外也可以借助cy4500 ez-pd™协议分析仪对usb pd通信逻辑进行分析，只有部分逻辑分析仪无法识别的内容，才需要我们根据协议内容去进行分析，这些内容大部分是usb pd芯片厂商定义的调试消息类型。
以上详细介绍了单个usb pd数据包的构成，以及如何去识别数据包的内容，dfp和ufp通过数据包进行通信，就是usb pd协议认证协商的过程。
0x03 usb pd协议认证协商
我们知道，不同的设备需要不同的充电电压、电流，手机需要9v/2a，平板需要15v/2a，电脑需要20v/3.25a，那么电源是如何实现根据设备需求提供定制化输出的呢？
支持usb pd协议的设备，在与电源连接时，会进行认证和协商，协商内容包括电源可提供的充电能力，设备支持的充电功率等。
上图为usb pd认证协商的流程图。首先dfp向ufp发送source capabilities 来表明其供电能力，ufp接收到该数据包校验无误后会向dfp发送goodcrc，表明接收成功，随后ufp会从dfp的capabilities中选择合适功率并使用request消息发送给dfp，同样dfp也会对数据包校验并返回goodcrc。dfp在收到ufp的request之后，会判断能否满足该request，如果可以则发送accept，同时dfp会调整内部电源，准备向ufp供电，准备完成之后会向ufp发送ps_ready消息并将电压、电流转换成ufp请求的值，待ufp回复goodcrc，整个协商过程完成，电源与设备建立起快充关系。
上图是使用cy4500 ez-pd™协议分析仪对协商过程进行监控得到的数据，从数据中可以看出，在dfp发送ps_ready消息之前，vbus的电压为5v，电流几乎为0，在dfp发送ps_ready消息的同时，vbus电压升为20v，开始对设备进行快充。
0x04 usb pd协议安全性分析
前面详细介绍了usb pd协议的数据格式、协商认证过程，了解了其工作原理，usb pd协议的具体实现需要使用usb pd芯片，usb pd协议本身也是公开的，数据包中包含crc校验，并使用4b5b编码和bmc编码，可以说协议在设计的时候就把安全考虑进去，但是各个厂商的usb pd协议芯片的安全性可以说是参差不齐了。usb pd协议芯片一般包括物理层、协议层和策略层，物理层包括一些通用寄存器和pd专用寄存器，还有bmc编解码的功能等，协议层就会包含sop*的识别、协议的实现等内容，策略层则包括一些上层策略。所以需要对芯片进行编程，配置策略，实现协议，当然就会存在固件。由于usb pd协议仅使用cc线进行通信，所以芯片厂商也会通过cc线对usb pd芯片进行固件烧录，在烧录方式上目前存在三种形态。
第一种是原厂单次烧录（otp），这种芯片只在出货之前被烧录一次，不会被再次修改，也就是说不存在烧录恶意固件的问题。同时也因为只支持一次性烧录，所以这种协议芯片往往只会兼容标准的、成熟的快充协议，后续如果出现其他快充协议，协议芯片很难兼容。
第二种是开放式的多次烧录（eflash/mtp），这种协议芯片配置灵活，可以利用开发工具修改固件，完成对新快充协议的兼容以及修复后续出现的bug，出货量较大。不过这种芯片对应的开发工具可以比较容易买到，存在较大安全风险。
第三种是加密式的多次烧录（eflash/mtp），芯片配置同样非常灵活，不过只有掌握了密钥才能获得固件更新的权限，而密钥一般都有充电器厂商保管。在技术层面，这样既保证充电器对bug的修复能力，又能保护充电器不会被恶意更改程序，是usb pd快充充电器的最佳选择，但是如果厂商将密钥存储在烧录软件本地或者烧录设备中，也有可能存在密钥泄露的情况。
所以，usb pd协议的安全性主要取决于芯片厂商的取舍，以上三种形态都在一定程度上牺牲了产品的功能性或者安全性，至于如何去平衡功能性和安全性，这是开发人员和安全研究人员一直需要思考和面对的问题，我们要知道，没有绝对的安全。
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usb pd协议的工作原理是利用type-c接口的cc线作为数据线来协商电压、电流以及供电方向，整个通信过程需要按照特定的数据包格式，并且存在相互认证的过程。下面先介绍一些usb pd中常见的名词，这些名词在后面也会用到。
source：通常指电源提供端，如电源适配器。
sink：通常指电源消耗端，如手机、平板。
e-marker(electronic marker)：电子标记，一般存在于type-c to type-c的线缆中。
cc(configuration channel) ：配置通道，用于识别、控制等。
bmc(biphase mark coding)：双相位标识编码，通过cc通信。
dfp(downstream facing port)：下行端口，即为host或者hu b下行端口。
ufp(upstream facing port)：上行端口，即为device或者hub的上行端口。
drd (dual-role data)：能作为dfp/ufp。
drp (dual-role power)：能做为sink/sour ce。
sop(start of packet sequences)：所有的pd传输流程，都是以sop开始，sop代表sop，sop’，sop’’。
eop (end of packet)：数据包结束标志。
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前导码(preamble)
前导码(preamble)是为了锁定接收端，预示发送端将要有数据到达，前导码由64位交替的‘0’和‘1’组成，以’0’开始，以’1’结束。
使用场景码(sop*)
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数据包使用sop作为开头，说明该数据包是在source与sink之间进行的。
sop’由2个sync-1和2个sync-3组成，其顺序如下图。
sop’‘也是由2个sync-1和2个sync-3组成，但是其顺序与sop’不同。
数据包使用sop’或sop’’，则说明是source与e-marker之间的通信过程，不同的是，sop’体现的是source与线材近端e-marker的通信，sop’'体现的是source与线材远端e-marker的通信。
功能码（message header）
功能码长度16-bits，通常包含数据包类型、端口角色（ufp/dfp)、pd协议版本等信息，功能码的组成如下图所示。
从列表中可以看出，不同的功能码需要特定的sop*，这个在之前也有提到，下面介绍一些常用的功能码。
extended
extended是用来表示该数据包是否包含外部指令的功能码，该位置1，表示数据包中存在外部指令，反之则没有。如果数据包中包含外部指令，指令内容会跟在功能码后面进行传输。usb pd协议的外部指令使用的比较少，在这里就不做详细的介绍了。
number of data objects
当extended置0时，number of data objects才可以使用，该功能码有3-bits，用来表示功能码后跟的数据的位数，如果number of data objects置0，则表示功能码后没有数据，该数据包为控制消息。如果该功能码置1，则表示该数据包为数据消息。
port power role & port data role
这两个功能码都是表示端口的电源角色（source/sink)和数据角色（dfp/ufp），该位置1时表示source/dfp，该位置0表示sink/ufp。
message type
message type有5-bits，是功能码中比较重要的位，需要和number of data objects 结合使用，前面提到number of data objects决定了数据包的消息类型，message type 则表示具体的指令类型。当number of data objects置0， message type则可以表示以下控制指令。例如当接收器成功接收数据包并crc校验正确后，会向发送端发送带有goodcrc和message id的数据包，来表示通信成功。
当number of data objects置1时，data message types可表示以下指令，例如source会在通信过程中向sink发送source_capabilitties来表示供电能力，sink可以从供电能力列表中进行选择并通过request指令发送给source端。
数据码(byte0-n)
数据码只有在数据包类型为数据消息时才会使用，具体的数据内容需要根据指令的内容改变，例如在使用source_capabiliities消息指令时，数据码就会存放source的供电能力。数据码同样需要使用4b5b进行编码。
校验码(crc)
功能码和数据码都需要由32bits的crc校验进行保护，校验码的生成机制比较繁琐，一般都会使用查表的方式实现，在这里也不做详细的介绍了，感兴趣的小伙伴可以参考usb if协会的官方文档。
结束码(eop)
结束码表示整个数据包的结束，在4b5b编码表中可以找到对应的5b编码，为01101。
4b5b编码
0x02 usb pd协议的编码方式
在usb pd协议的数据包中，除了前导码(preamble)之外，其他部分均需要使用4b5b编码，官方的说法是为了降低接收端设计的复杂度，提高接收端设计的自由度。4b5b编码的原理是建立一个4b5b编码表，将4-bits的数据与5-bits的数据进行对应，发送端根据编码表对4-bits数据进行编码，接收端根据编码表对5-bits数据进行解码，编码表的具体内容如下图所示。
从图中可以看出，除了基本的hex数据外，还定义了一些特定的编码，如sync-1、rst-1等，这些特定的编码会组成sop*，在介绍usb pd协议数据格式时也有提到。另外，编码表中还预留了多个未定义的5b编码，可以作为的扩展指令使用。
bmc编码
usb pd协议的数据包中，所有的数据都需要使用bmc进行编码，bmc编码属于物理层的操作，经过编码之后的数据通过cc线进行传送。
上图为bmc编码的示例，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，从示例中可以看到，在一个周期里有高低电平变化为1，否则为0。
usb pd协议编解码流程
以上详细介绍了usb pd协议数据包的格式和各个部分的功能，那么对于一个完整的数据包，发送端发送的流程是什么，接收端接收到数据之后会进行哪些处理呢。
上图为一个完整的数据包发送和接收的流程图，可以看到，在发送数据时，需要将经过crc校验后的数据使用4b5b编码，再使用bmc编码才可以通过cc发送。在接收数据时，首先进行bmc解码，然后需要确定sop的位置，因为sop后的数据才是真正的有用的数据，再进行5b4b的解码，校验crc。
介绍完理论，来看一下在实际的数据包。下面是使用逻辑分析仪抓取的usb pd协议通信数据包，使用上面介绍到的内容对这个数据包进行解析。
首先，bmc解码，根据bmc编码规则，识别出’0’和’1’，已经标注在图中。sop识别，标注出的前20 bits为00011 00011 00011 10001，我们可以将这些数据理解为4组经过4b5b编码的数据，由于在传输数据时采用大端模式，所以需要将数据的高低位交换，转换之后为11000（sync-1) 11000（sync-1) 11000（sync-1) 10001(sync-2)，也就是sop(sync-1、sync-1、sync-1、sync-2)。同样的，sop后的数据也需要先高低位交换，识别结果为source_capabilities，说明该消息是用来表明source的供电能力的，那么数据包中也会包含数据码，分析的方法跟前面也是一样的。
在日常的工作中，其实并不需要手工去分析大量的usb pd的消息类型，目前大部分逻辑分析仪都可以对usb pd协议进行解析，另外也可以借助cy4500 ez-pd™协议分析仪对usb pd通信逻辑进行分析，只有部分逻辑分析仪无法识别的内容，才需要我们根据协议内容去进行分析，这些内容大部分是usb pd芯片厂商定义的调试消息类型。
以上详细介绍了单个usb pd数据包的构成，以及如何去识别数据包的内容，dfp和ufp通过数据包进行通信，就是usb pd协议认证协商的过程。
0x03 usb pd协议认证协商
我们知道，不同的设备需要不同的充电电压、电流，手机需要9v/2a，平板需要15v/2a，电脑需要20v/3.25a，那么电源是如何实现根据设备需求提供定制化输出的呢？
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上图是使用cy4500 ez-pd™协议分析仪对协商过程进行监控得到的数据，从数据中可以看出，在dfp发送ps_ready消息之前，vbus的电压为5v，电流几乎为0，在dfp发送ps_ready消息的同时，vbus电压升为20v，开始对设备进行快充。
0x04 usb pd协议安全性分析
前面详细介绍了usb pd协议的数据格式、协商认证过程，了解了其工作原理，usb pd协议的具体实现需要使用usb pd芯片，usb pd协议本身也是公开的，数据包中包含crc校验，并使用4b5b编码和bmc编码，可以说协议在设计的时候就把安全考虑进去，但是各个厂商的usb pd协议芯片的安全性可以说是参差不齐了。usb pd协议芯片一般包括物理层、协议层和策略层，物理层包括一些通用寄存器和pd专用寄存器，还有bmc编解码的功能等，协议层就会包含sop*的识别、协议的实现等内容，策略层则包括一些上层策略。所以需要对芯片进行编程，配置策略，实现协议，当然就会存在固件。由于usb pd协议仅使用cc线进行通信，所以芯片厂商也会通过cc线对usb pd芯片进行固件烧录，在烧录方式上目前存在三种形态。
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所以，usb pd协议的安全性主要取决于芯片厂商的取舍，以上三种形态都在一定程度上牺牲了产品的功能性或者安全性，至于如何去平衡功能性和安全性，这是开发人员和安全研究人员一直需要思考和面对的问题，我们要知道，没有绝对的安全。
模拟计算机与数字计算机的区别是什么
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