Интерфейс Lightning для iPhone 5

Apple никогда не стеснялась вводить проприетарные стандарты для чего бы то ни было — как в «софте», так и в «харде». Общепринятые решения не подходят? О'кей, придумаем свое. Наиболее ярко это всегда проявлялось в выборе интерфейса для стыковки компьютера с периферийными устройствами.

Некоторые интерфейсы, порожденные Apple, никогда не выходили за пределы уютной «яблочной» экосистемы и там же умирали, в конце концов уступив открытым стандартам. Например, однажды возникла потребность пропустить к монитору видеосигнал, электропитание и шину USB по одному кабелю, и родился стандарт ADC (Apple Display Connector), объединяющий все перечисленное. Но со временем его все равно пришлось заменить DVI. В других случаях Apple объединялась со сторонними производителями и всячески продвигала новый стандарт в массы. Давний пример такой экспансии в сфере железа — шина FireWire. Fire Wire, будучи более изощренным технологически и более быстрым интерфейсом по сравнению с USB, не угнался за последним по распространению (по причине дороговизны компонентов), но нашел и своего пользователя, и специфическую рыночную нишу.

Из более свежего — созданный Apple разъем Mini DisplayPort (хотя автором интерфейса как такового Apple не является), который уже подхватили производители ноутбуков и видеокарт. Потом Mini-DP дополнительно использовали для шины Thunderbolt от Intel, в разработке которой Apple принимала непосредственное участие. Ее прелесть стала понятной, как только разработчики определились с позиционированием и Thunderbolt в массах перестали противопоставлять USB 3.0. Вот сколько было и исчезло экзотических решений для того, чтобы подключать к ПК высокосортную периферию, а Intel вместе с Apple взяли и сделали единый удобный стандарт.

Для ненавистников Apple все это выглядит как какая-то блажь, стремление отгородиться от конкурентов и попросту любой ценой отличаться от других. А зазнаек, воображающих о себе не весть что, как известно еще со школы, сильно не любят. Особо раздражает публику упрямое нежелание Apple присоединиться к общему интерфейсу синхронизации и зарядки мобильных гаджетов, USB. В то время как все поголовно смартфоны и даже часть «тупофонов» приняли стандарт Micro USB, Apple до последнего держалась за свой 30-контактный разъем, который дебютировал еще в 2003 году вместе с третьим поколением iPod, а теперь уже выглядит совершеннейшим, чудовищно неуклюжим анахронизмом. Пятый iPhone отправил 30-пиновый коннектор в отставку, но, вопреки ожиданиям, на смену ему пришел не общепринятый Micro USB, а очередной проприетарный стандарт — Lightning. Естественно, со всех сторон посыпалось: «И вот опять Apple сделала все не как у людей!» Хуже того, говорят, что в кабель Lightning встроены зловещие аутентификационные чипы для того, чтобы Apple якобы могла брать с «этих глупых фанбоев» по $19 за фирменные аксессуары и выбивать деньги за лицензию из производителей периферии. Ну как тут не возмутиться?

Возмущаются и давние пользователи i-устройств, собравшие коллекцию i-периферии: всевозможных кабелей, док-станций, акустических систем и подчас гораздо более экзотического оборудования с 30-контактным разъемом. Даже российские чиновники, этим летом разместившие на сайте госзакупок аукцион на Toyota Land Cruiser 200 в комплектации «люкс», в техническом задании особо указали «USB/AUX-разъем (с возможностью подключения iPod)». Правда, аукцион отменили до того, как Apple поменяла интерфейс. Кого за это благодарить — вы знаете и без нас.

Если серьезно, то на первый взгляд действительно непонятно, зачем Apple понадобился новый проприетарный интерфейс, в то время как есть общедоступный USB. Спецификации Lightning пока не опубликованы, и о том, как он работает, чем отличается от USB и отличается ли вообще чем-либо, кроме разъема, можно только догадываться. Но кое-что уже стало известно. Похоже, что Lightning — непростая и интересная штуковина, назначение которой не сводится к тому, чтобы дать Apple возможность поживиться на торговле лицензиями. Попробуем свести в единую картину фрагменты информации по этой теме, найденные в Сети.

Цифровой, адаптивный, прочный, реверсивный

Apple мало распространяется о принципах работы Lightning, ограничиваясь указанием главных достоинств интерфейса: он полностью цифровой, адаптивный, прочный и реверсивный.

Прочность — самый легкий пункт, не требующий долгих объяснений. Даже простое сокращение числа контактов с 30 до 8 повышает прочность как «папы», так и «мамы» разъема. Кроме того, устройство разъема стало проще, соединение более плотное, штекер не болтается вперед-назад, как это было с 30-контактным разъемом.

Разъем Lightning в iPhone 5 прочно закреплен на корпусе (фото iFixIt)

По размерам разъем Lightning примерно такой же, как Micro USB 2.0, но опять-таки устроен проще. Разъем Micro USB 3.0 уже в два раза крупнее, а необходимость обратной совместимости с кабелями версии 2.0 сделала его еще более сложным, а значит — менее надежным. Кроме того, в iPhone 5 гнездо Lightning не распаяно на материнской плате, а прикручено непосредственно к металлическому корпусу. Большинство производителей смартфонов с Micro USB так не делают и паяют коннектор на плату. Для бережного пользователя все это не актуально, но нельзя не признать, что разъем Lightning гораздо лучше подготовлен к не столь бережному отношению по сравнению как с 30-пиновым разъемом, так и с Micro USB.

По размеру коннекторы Lightning и Micro USB примерно одинаковы, но Lightning выглядит прочнее (фото The Gadgeteer)

Реверсивность интерфейса отчасти связана с темой прочности. На практике этот термин означает, что штекер можно вставлять в любой ориентации. В разъеме нет механического ключа, а значит, его невозможно сломать, пытаясь с силой вставить не той стороной. Но с реверсивности как раз начинается самое интересное о Lightning. Казалось бы, задача решается просто: электрически соединить контакты на двух сторонах штекера крест-накрест, но...

Специалист из Double Helix Cables (собственно, производитель кабелей) прозвонил коннектор Lightning и набросал от руки уже неоднократно переопубликованную схему. То, что нас интересует, нарисовано в левом нижнем углу бумажки. Контакты на верхней и нижней частях штекера пронумерованы от 1 до 8. Контакты 1 и 5 на верхней части действительно соединены по диагонали с нижними контактами 4 и 8 соответственно. Из этой же заметки известно, что на контакт 1/8 подведен V- («минус» питания) шины USB. Он же соединен с металлической оболочкой штекера. А вот остальные верхние контакты не имеют пары на нижней части, чтобы штекер можно было перевернуть, не поменяв схемы подключения. Этот парадокс объясняется только одним способом: интерфейс динамически назначает контакты в зависимости от того, в какой ориентации замкнут разъем.

Схема контактов штекера Lightning (фото Appleinsider)

Кстати, обратите внимание, что на схеме не указан контакт, соответствующий V+ в шине USB. Непонятно, каким образом автор заметки прозванивал кабель Lightning. Наиболее вероятно, что он при этом не был подключен к телефону. В таком случае отсутствие V+ объясняется следующей гипотезой: назначение контактов происходит внутри кабеля и, пока телефон не подключен, кабель просто не включает питание. Вот вам и главная функция загадочного «аутентификационного» чипа.

Сам чип в штекере Lightning действительно был обнаружен и подробно исследован Chipworks, лабораторией по реверс-инжинирингу. На миниатюрной плате распаяно несколько микросхем, но более-менее сложную логику содержит только чип с маркировкой BQ2025, произведенный, судя по всему, Texas Instruments. На сайте TI информации о нем нет, но по снимкам кристалла удалось выяснить, что чип совместим с проприетарным интерфейсом TI — SDQ. В свою очередь поддержка SDQ означает наличие генератора CRC. Сами Chipworks делают вывод, что CRC в Lightning как раз таки используется для аутентификации устройства. Но в принципе, любой последовательный интерфейс не обходится без CRC для контроля целостности пакетов, поэтому можно сказать, что вскрытие кабеля не позволило опровергнуть гипотезу об аутентификации, но и убедительного подтверждения она пока не получила. Кстати, SDQ использует для сигнала всего одну жилу. Возможно, это и есть «непереходящий» контакт 5 в разъеме Lightning, через который чип сообщает iPhone, что именно к нему только что подключили. В блоге на Asia.CNET пишут, что телефон включается, обнаружив кабель Lightning, даже если обратный конец не соединен с USB. Это вписывается в гипотезу о том, что устройство как-то взаимодействует с чипом внутри.

Загадочный чип в штекере Lightning (фото Chipworks)

Именно динамическое назначение контактов и коммуникация кабеля с устройством дают нам то, что Apple называет адаптивным интерфейсом. В принципе, как только гаджет и коммутационный чип договорились о назначении контактов, по ним можно передавать что угодно. Существующий кабель Lightning to USB 2.0 просто пробрасывает к устройству сигнальные линии USB. С USB 3.0 это сделать не получится, так как он задействует девять контактов, в то время как в разъеме Lightning уже есть только восемь, из которых как минимум один используется для коммуникации с чипом. Но это совершенно не значит, что концепция Lightning исчерпывающе описывается словами «хитрый USB 2.0, (возможно) с аутентификацией». Ничто не мешает в будущем встраивать в кабели более сложную логику, например хост-контроллер USB 3.0 или другого интерфейса, который будет соединяться с SoC гаджета по какой-нибудь внутренней последовательной шине. Понятно, что такой кабель будет стоить еще дороже, но тем самым Apple обеспечила интерфейсу долголетие. Старый добрый 30-пиновый разъем протянул девять лет за счет того, что в него изначально интегрировали все что угодно, включая одновременную поддержку USB и FireWire, да еще и аналоговые выходы. Lightning, благодаря своей адаптивности, может прожить не меньше.

Первые плоды адаптивности могут появиться уже скоро. На сайте The Verge опубликована информация, что в ближайшие месяцы выпустят адаптеры для Lightning на VGA и DisplayPort. Для VGA требуется 15 контактов, а для DisplayPort — 20, так что хотя бы по этой причине в кабеле уже обязательно должен быть трансмиттер соответствующего интерфейса.

И еще один немаловажный момент. Логично предположить, что при подключении к простому заряднику для питания могут сразу использоваться несколько контактов Lightning, что потенциально позволит применять более мощные блоки для быстрой зарядки батареи, ибо чем выше ток зарядки, тем быстрее процесс. Для интерфейса USB 2.0 максимальная сила тока на одном порте составляет 500 мА, для USB 3.0 — 900 мА. А, к примеру, фирменное зарядное устройство третьего iPad имеет мощность 10 Вт, что уже дает теоретический ток 2 А при стандартном для USB напряжении 5 В, а вместе с четвертым iPad поставляется 12-ваттный «питальник». Отметим, что сейчас находится в разработке документ USB Battery Charging 1.2 Compliance, который разрешает использовать выделенные порты USB для зарядки с максимальным током вплоть до 5 А за счет контактов D+ и D-, которые обычно служат для передачи данных. Но то в разработке, а пока все «высокоточные» реализации USB делаются производителями в порядке частной инициативы.

Где мой кабель за $1?

По слухам, Apple изменила условия программы MFi, регулирующей отношения с производителями аксессуаров для i-устройств. Теперь производить периферию будет позволено только на тех фабриках, которые одобрит Apple. А еще говорят, что Apple будет контролировать поставки разъемов Lightning с тем, чтобы их использовали только в устройствах, соответствующих определенным критериям. Anandtech выяснил, что коннекторы будут поставляться в четырех вариантах: USB Host, USB Device, только зарядка и еще коннектор для последовательного соединения (видимо, имеется в виду iPod Acessory Protocol). Каждый вариант существует в физическом исполнении для кабеля и для док-станции.

Между тем компании, не допущенные к кормушке, еще поборются за свой хлеб. Некая китайская компания iPhone5Mod объявила, что ей удалось создать подключение к iPhone 5 при помощи «взломанного» чипа, хотя прототип на видео, признался производитель, работает с оригинальным чипом, полученным от поставщика Apple.

Таким образом, единственный способ, с помощью которого производители аксессуаров смогут уменьшить их себестоимость, — это использование сторонних коммутационных чипов (если такие действительно существуют и действительно будут стоить дешевле). Поэтому о неоригинальных кабелях за $1 можно забыть. Такова цена прогресса.

Чую, чую, как поднимается волна народного возмущения. В качестве оправдания Apple можно сказать, что сиюминутная нажива — не единственный, а может, и не главный мотив строгой лицензионной политики. Просто Apple наверняка хочет исключить такие случаи, когда нелицензионный чудо-девайс перепутает контакты в разъеме и что-нибудь закоротит. Да и в целом на рынке станет меньше всяческого барахла с доком для iPhone.

Альтернативные решения

Теперь давайте подведем итог и посмотрим, какие из тех функций, что имеет Lightning, можно было бы реализовать, а какие — нет, если бы Apple «не выдумывала» и выбрала Micro USB.

Во-первых, питание. Вряд ли наличие у четвертого iPad разъема Lightning и 12-ваттного блока питания — это совпадение. USB как 2.0, так и 3.0 в существующей реализации не могут обеспечить ток питания, необходимый для быстрой зарядки планшетов со столь емкой батареей.

Но допустим, что это может быть не так важно, и пока не приняли финальную версию USB Battery Charging 1.2 Compliance, можно и потерпеть медленную зарядку. Допустим, важнее было бы реализовать совместимость с USB 3.0, и мобильные устройства уже нуждаются в скоростном интерфейсе для синхронизации с ПК. Увы, такое решение потянуло бы за собой необходимость использовать более крупный разъем, а еще — либо найти на плате место для отдельной микросхемы хост-контроллера, либо интегрировать его в SoC, где он все равно займет некоторую площадь в дополнение к логике USB 2.0 и увеличит общее энергопотребление. Кроме того, есть подозрение, что SoC Apple A6 все равно не потянет USB 3.0 с такой производительностью, чтобы вообще был смысл связываться с этими трудностями. Вопрос мощи SoC особенно актуален в контексте вывода видео средствами USB Video Device Class (в теории, пропускная способность USB 3.0 позволяет транслировать видеопоток в разрешении 1080p с фреймрейтом 120 FPS). Lightning же готов обеспечить поддержку USB 3.0 и любого другого интерфейса передачи данных, как только появится такая потребность, и соответствующие вычислительные возможности.

Lightning выигрывает и у ряда решений, предусматривающих вывод видеопотока средствами специализированных трансмиттеров HDMI и DisplayPort. Подход Apple позволяет разгрузить гаджет от чипов-трансмиттеров, встраивая их в кабели. В результате мы опять-таки получаем экономию места на плате и энергопотребления. А также снижение цены устройства для тех, кому видеовыход не нужен. Кроме того, Lightning избавляет от дополнительной головной боли по поводу того, через какой разъем выводить видеопоток. Вариант Mini HDMI не только расходится с минималистичным дизайном гаджетов Apple, но и — опять и снова — требует дополнительного места, притом что пригодится он абсолютному меньшинству.

Реализация MyDP от Analogix Semiconductor (схема Brockerhoff.net)

Более изящный вариант — ныне находящийся в разработке стандарт MyDP, который сокращает число линий DisplayPort с 20 до 5, что позволяет передавать сигнал через стандартный разъем Micro USB 2.0. Но это опять отдельный чип трансмиттера плюс схема, переключающая режим работы порта между USB и видеовыходом. Близкой заменой для Lightning в плане видеовыхода могла бы стать только архитектура MHL (Mobile High-Definition Link), которая построена на таком же принципе: данные передаются через разъем USB по специальному протоколу, а в кабеле перекодируются в HDMI с помощью (та-дам!) отдельного чипа, который также стоит денег. И для переключения режимов работы порта опять нужна отдельная схема. Альтернатива — сделать еще один нестандартный разъем.

Заключение

Вот то, что сейчас можно сказать об интерфейсе Lightning. Что-то из того, что здесь написано, — это твердые факты, что-то является лишь предположением. И все же информации уже достаточно, чтобы выбор в пользу очередного проприетарного интерфейса не казался чистой попыткой отъема денег у трудящихся. На самом деле это очень разумное и дальновидное решение, которое со временем может стать тенденцией: отделить механический форм-фактор разъема и коммутацию контактов от конкретной шины. Адаптивный интерфейс и «умные» кабели — лучший способ уменьшить объем компонентов и энергопотребление мобильного устройства, обеспечивая широкую функциональность и потенциал для развития на годы вперед.