[Перевод] Как устроен Apple Lightning
Это моя маленькая статья с описанием (почти) всего, что я знаю об интерфейсе Apple Lightning и связанных с ним технологиях: Tristar, Hydra, HiFive, SDQ, IDBUS и др. Но сначала маленькое предупреждение…
Читайте эту статью на свой страх и риск! Информация основана на большом количестве внутренних материалов AppleInternal (утечка данных, схем, исходных кодов), которые я прочёл по диагонали. И, конечно, на моих собственных исследованиях. Должен предупредить, что я никогда раньше не проводил подобных исследований. Таким образом, эта статья может использовать неправильные или просто странные термины и оказаться частично или полностью неправильной!
Прежде чем углубиться, давайте кратко разберёмся в терминах:
Lightning — это цифровой интерфейс, используемый в большинстве устройств Apple iOS с конца 2012 года. Он заменил старый 30-контактный разъём.
На картинке выше гнездо разъёма, а на картинке ниже его распиновка:
Пожалуйста, обратите внимание, что в разъёме контакты с обеих сторон коннектора не соединены в одном и том же порядке. Таким образом, хост-устройство должно определить ориентацию кабеля, прежде чем что-то делать.
Хотя это не всегда так. У многих аксессуаров Lightning, которые мне попадались, в разъёмах зеркальная распиновка.
Tristar — это интегральная схема, встроенная в каждое устройство с гнездом разъёма Lightning. По сути, это MUX:
Кроме всего прочего, его основная цель состоит в том, чтобы соединяться со штекерным разъёмом Lightning, как только он подключён — определять ориентацию, Accessory ID и надлежащим образом маршрутизировать внутренние интерфейсы, такие как USB, UART и SWD.
Hydra — это новый вариант Tristar, используемый начиная с iPhone 8/X. Видимо, наиболее существенным изменением является поддержка беспроводной зарядки, но это ещё предстоит проверить:
Мне известны пять основных вариантов Tristar/Hydra:
- TI THS7383 — Tristar первого поколения в iPad mini 1 и iPad 4
- NXP CBTL1608A1 — Tristar первого поколения в iPhone 5 и iPod touch 5
- NXP CBTL1609A1 — таинственный Tristar первого поколения в iPod nano 7 — источник
- NXP CBTL1610Ax — TriStar второго поколения, используется начиная с iPhone 5C/5S и, по-видимому, во всём остальном, что не поддерживает беспроводную зарядку. Существует несколько поколений (x — номер поколения)
- NXP CBTL1612Ax — Hydra используется с iPhone 8/X и, видимо, во всём остальном, что поддерживает беспроводную зарядку. Существует несколько поколений (x — номер поколения)
С этого момента я буду использовать только термин TriStar, но имейте в виду, что он также означает Hydra, поскольку они очень похожи в большинстве аспектов, которые будут рассмотрены в этом тексте.
HiFive — это дочерний интерфейс Lightning, то есть штекерный разъём. Он также содержит логический элемент — этот чип известен как SN2025/BQ2025.
Эти два термина часто считают своего рода синонимами. Для удобства я буду использовать только термин IDBUS, так как он кажется мне более правильным (и именно так технология называется в спецификации THS7383).
Итак, IDBUS — это цифровой протокол, используемый для коммуникации между Tristar и HiFive. Очень похож на протокол Onewire.
Давайте прослушаем коммуникации Tristar и HiFive. Возьмите логический анализатор, переходную плату Lightning с соединением для гнезда и штекерного разъёма, какой-нибудь аксессуар (обычный кабель Lightning-to-USB отлично подойдёт) и, конечно, какое-нибудь устройство с портом Lightning.
Сначала подключите каналы логического анализатора к обеим линиям ID переходной платы (контакты 4 и 8) и подключите плату к устройству, но пока не подключайте аксессуар:
Сразу после этого начните выборку (подойдёт любая частота от 2 МГц и выше). Вы увидите что-то вроде этого:
Как видете, Tristar опрашивает каждую линию ID по очереди — одну за другой. Но поскольку мы не подключили никакого аксессуара, опрос явно провалился. В какой-то момент устройство устанет от этого бесконечного потока отказов и остановит его. А пока давайте разберёмся, что именно происходит во время опроса:
Сначала мы видим длинный интервал (около 1,1 миллисекунды), когда просто уровень высокий, но больше ничего не происходит:
Видимо, это время используется для зарядки внутреннего конденсатора HiFive — энергия от него будет затем использоваться для питания внутренних логических чипов.
Гораздо интереснее то, что происходит потом:
Очевидно, это поток каких-то данных. Но как его интерпретировать? Как расшифровать? Давайте виртуально разделим его на минимальные значимые части — то, что я называю словами:
По сути слово — это сочетание падения-подъёма-падения:
- Содержательный этап — интервал, который определяет значение слова
- Этап восстановления — интервал, который, видимо, требуется для обработки содержательной стадии на стороне получателя и/или для подготовки следующего слова на стадии отправки
Вот таблица известных слов с их интервалами для обоих этапов, которые мы обсуждали выше (все единицы измерения в микросекундах):* STOP используется, когда это последний бит в байте
Используя приведённую выше таблицу теперь мы можем построить простой декодер протокола:
Как видите, сначала хост посылает BREAK — когда Tristar хочет отправить новый запрос, хост всегда начинает с этого слова. Затем наступает этап передачи данных. Пожалуйста, обратите внимание, что у последнего (8-го) бита в байте более длительный этап восстановления. Когда этап передачи данных заканчивается, хост отправляет ещё один BREAK. Затем дочернее устройство должно отправить ответ (после задержки не менее 2,5 микросекунд — см. таблицу). Tristar будет ждать ответа около 2,2 мс. Если ответ не выдан в этот промежуток времени, Tristar попытается опросить другую линию ID.
Теперь давайте рассмотрим этап данных на примере выше — 0x74 0x00 0x02 0x1f:
0x74— тип запроса/ответа. Всегда чётный для запроса и нечётный для ответа (тип запроса +1)0x00 0x02— фактические данные. Может быть пустым0x1f— это CRC8 как байта типа запроса, так и всех данных (полином — 0×31, начальное значение — 0xff)
Давайте подключим к нашей установке какой-нибудь аксессуар и посмотрим, что произойдёт. Я буду использовать оригинальный кабель Lightning-to-USB от Apple:
И вот что появляется на IDBUS после запроса 0×74:
HiFive ответил! И если вы прокрутите дальше, то увидите много других пар запрос/ответ:
Некоторые запросы не нуждаются в ответе:
Самый важный запрос IDBUS — это 0×74, он используется для двух целей: чтобы приказать HiFive включить полное напряжение и силу тока (в случае, если оно поддерживается аксессуаром), спросить его о конфигурации контактов, которые поддерживаются кабелем, и некоторых других метаданных.
О том, как кодируются данные ответа 0×75, известно не так уж много. Но некоторые биты доступны в старой спецификации Tristar:
Первый байт данных ответа 0×75
Конфигурация ACCx, когда ID найден на ID0
Конфигурация ACCx, когда ID найден на ID1
Конфигурация Dx, когда ID найден на ID0
Конфигурация Dx, когда ID найден на ID1
Используя эти таблицы, давайте расшифруем ID нашего кабеля (10 0C 00 00 00 00) с учётом того, что линия ID найдена на контакте ID0:
Первый байт ответа 0×75 кабеля
Таким образом, ACCx — это 00, Это означает, что пин ID0 просто привязан к IDBUS, а Dx = 01 означает, что пины DP1/DN1 настроены как USB0_DP/USB0_DN. Именно то, что мы ожидали от стандартного USB-кабеля.
А теперь давайте перехватим что-нибудь поинтереснее:
Вот полный (?) список запросов IDBUS от @spbdimka:
Совет №1: вы можете легко получить свойства аксессуара, включая его идентификатор, используя accctl:
Это внутренняя утилита Apple, поставляемая с сборками NonUI/InternalUI. Но вы можете легко запустить её на любом устройстве после джейлбрейка.
Совет №2: вы можете легко получить конфигурацию контактов кабеля с помощью diags:
tristar -p
Обратите внимание, что эта команда доступна только на iOS 7+.
Совет №3: вы можете легко отслеживать запросы/ответы 0×74/0×75, генерируемые SWD-пробами, установив debug env var, равное 3:
astrisctl setenv debug 3
Затем на виртуальном COM от кабеля вы увидите что-то вроде этого:
В одной из таблиц выше можно увидеть упоминание некоего HOSTID. Это 16-битное значение, передаваемое в запросе 0×74. Похоже, что оно также влияет на ответ HiFive. По крайней мере, если установить для него недопустимое значение (да, это возможно с diags), HiFive перестаёт с ним работать:
Впрочем, в прошивке KongSWD/KanziSWD есть переменная окружения disableIdCheck, которую вы можете настроить так, чтобы игнорировать недопустимый HOSTID.
Важное примечание: У Kong и Kanzi нет HiFive в качестве выделенного непрограммируемого чипа. Эти аксессуары эмулируют его с помощью микроконтроллера и/или блока FPGA, что позволяет его легко обновлять/перепрограммировать.
В таблице Accessory ID выше можно заметить, что Kong и Kanzi посылают разные ответы в зависимости от того, запускается или нет Astris, это программное обеспечение AppleInternal, предназначенное для отладки с помощью SWD-проб (или зондов). Если вы расшифруете эти ответы с помощью приведённых выше таблиц, то обнаружите, что когда Astris не запускается, зонд будет действовать точно так же, как DCSD — USB на линиях D1 и debug UART на линиях D2. Но когда отладочное программное обеспечение работает, линии ACCID переключаются на SWD.
Но что, если мы хотим запустить Astris после того, как зонд уже подключён к устройству? Что будет делать кабель? Как он будет переключаться между линиями ACC на SWD? Вот тут-то WAKE и вступает в игру! HiFive (или устройство, которое его эмулирует) может инициировать WAKE — и процесс перечисления IDBUS начнётся снова: Tristar отправит запрос 0×74, Kong/Kanzi ответит новым идентификатором, Tristar подтвердит его и направит линии ACC на внутренние линии SWD (SoC должен это поддерживать на физическом уровне, конечно).
Последнее, что я собираюсь рассмотреть — рукопожатия питания (power handshakes). Это алгоритм, основанный на запросах/ответах IDBUS, которые драйверы ядра Tristar используют перед тем, как разрешить зарядку от аксессуара.
Когда кабель Lightning просто где-то лежит, подключённый к зарядному устройству/компьютеру, но не подключённый к устройству, HiFive ограничивает ток на PWR действительно небольшим значением (около 10–15 мА по моим измерениям). Чтобы включить полный ток, запрос 0×74 должен быть выдан Tristar и обработан HiFive. Для SecureROM/iBoot этого достаточно, но при загрузке ядра необходимо сделать дополнительные шаги:
- TriStar выдаёт два запроса 0×70
- Как только второй запрос обработан HiFive и отправлен ответ, он вообще отключает ток примерно на 20 миллисекунд
- По истечении этого времени Tristar выдаёт ещё один запрос 0×70, но с содержанием 0×80 в данных. HiFive обрабатывает его и отвечает
- На этом этапе драйвер ядра, ответственный за Tristar, должен разрешить зарядку
Важное замечание: это та часть, которую я знаю меньше всего. И это одна из тех частей, которые я в основном сам отреверсил. Таким образом, будьте осторожны с этой информацией
Ещё одна особенность Tristar, о которой я хотел бы рассказать, — ESN. Это маленький блоб, который Tristar хранит в своём EEPROM (на CBTL1610A2 и более поздних версиях). Его можно получить по IDBUS с помощью кабеля Serial Number Reader (или Kanzi, они в основном одинаковые, за исключением разных USB-PID и немного отличающихся корпусов)
Проще говоря, отправив этот блоб на ttrs.apple.com, вы можете получить серийный номер устройства. Этот механизм используется сотрудниками Apple Store/Apple Premium Reseller для извлечения SN с мёртвых устройств (если Tristar ещё жив):
Что происходит на IDBUS при получении ESN, задокументировал @spbdimka:
Процедура «прошивки» ESN на Tristar называется подготовка (provisioning). Она происходит с диагностикой на стороне устройства, через EzLink на принимающей стороне в три этапа.
Вы можете проверить состояние с помощью diags:
tristar --prov_stat
…, а также получить ESN:
tristar --esn
Кстати, у diags вообще богатый набор команд Tristar (доступен, начиная с iOS 7):
Tristar доступен на шине I2C (адрес 0×34 для записи, 0×35 для чтения). Именно так diag и драйверы ядра с ним взаимодействуют.
О реестрах публично известно не так уж много. Много информации о самой карте регистра можно получить из утёкшего исходного кода iBoot (только для THS7383 — кажется, обратно совместимого с CBTL1608 — и CBTL1610), но не так много о том, что нужно туда записать, чтобы добиться каких-то интересных результатов.
Ещё одним источником знаний является модуль Tristar из diags (легко извлекаемый через SWD во время его работы). Например, мне удалось отреверсить алгоритмы чтения состояния подготовки и ESN. Затем я реализовал это как дополнение к моей нагрузке для iBoot под названием Lina:
Я также попытался изменить алгоритм записи ESN, но потерпел неудачу — механизм слишком сложный для меня. Однако фрагменты кода от Lina доступны здесь.
Сам Tristar питается от источника 1.8V. Линии для IDBUS устойчивы к 3.0V, согласно моему осциллографу:
Таким образом, без схемы сдвига уровня лучше не пытаться взаимодействовать с IDBUS с 5V-устройствами, как некоторые модели Arduino.
