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zoom RSS USB Type-CとUSB 3.1、Thunderbolt 3、DisplayPort など

<<   作成日時 : 2016/12/01 00:59   >>

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Thunderbolt 3マザーボードのPCを使ったり、MacBook Proが気になるということで、現時点で、自分の備忘録と、説明したいとき用に、各所から集めた、USB Type-CとUSB 3.1、Thunderbolt 3、DisplayPortなどの情報まとめ。

USB Type-C


USB Type-Cの基本構成


USB Type-Cは、USB 3.1規格とあわせて提供されている物理的なコネクタとピンアサインなどに関する規格です。
USB Type-Cでは、24ピンのコネクタが採用されています。
図で描くとこんな感じ。これはPCやHDDなどのデバイス側のメスコネクタの図です。ケーブルにはオスコネクタが付いています。
画像


各ピンは以下のような意味を持ちます。
意味グランド高速送信差動ペア+ 1高速送信差動ペア- 1バス電源CC1USB1.1/2.0 D+ 1USB1.1/2.0 D- 1SBU1バス電源高速受信差動ペア- 2高速受信差動ペア+ 2グランド
信号名GNDSSTXp1SSTXn1VBUSCC1Dp1Dn1SBU1VBUSRXn2RXp2GND
信号ピンA1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12
信号ピンB12B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1
信号名GNDSSRXp1SSRXn1VBUSSBU2Dn2Dp2CC2VBUSSSTXn2SSTXp2GND
意味グランド高速受信差動ペア+ 1高速受信差動ペア- 1バス電源SBU2USB1.1/2.0 D- 2USB1.1/2.0 D+ 2CC2バス電源高速送信差動ペア- 2高速送信差動ペア+ 2グランド

Type-Cコネクタどうしの場合、ケーブルはDn2/Dp2に相当するピンが接続されていないため、USB接続のネゴシエーションをDp1/Dn1で成功したか、Dp2/Dn2で成功したかで、今、デバイスにとって表向きに接続されているのか、裏向きに接続されているのかが、ホストデバイスにはわかります。
そして、Dp1/Dn1でネゴシエーションに成功したら、CC1をCC、CC2をVCONNとして扱い、USB 3.1では、赤枠のピンを使って通信します。Dp2/Dn2でネゴシエーションに成功したら、CC2をCC、CC2をVCONNとして扱い、USB 3.1では、青枠のピンを使って通信します。

この図で赤く囲っている部分と青く囲っている部分はそれぞれUSB 3.0のピンに相当します。
つまり、表面用と裏面用の2組のピンを点対称の位置に用意し、今、どちらが有効なピンであるかをUSB Type-Cを持つデバイスが判定することで、USB-AコネクタやUSB-Bコネクタに変換するケーブルを使っても、表裏の判断はUSB Type-Cデバイスが行うので、ユーザーは表裏を気にすることなく利用できます。

GND/VBUSがUSB1.1/2.0では各1本、USB3.0/3.1ではGNDが2本、VBUSが1本だったのが、各4本になることで、大電流を流せるようになっています。

またコネクタ自体も、USB標準A/Bコネクタに比べて耐久性があり、USB MicroBと同様、10000回以上の挿抜でも壊れない設計となっています。

eMarker


USB Type-Cでは、eMarker (electronically marker)と呼ばれる、電子的マーカーをケーブルに入れることができます。
これは入れなくても良いのですが、後述するPower Deliveryでは条件によって必要となり、Alternate Modeをサポートするには必須となります。
アクティブなeMarkerを入れる代わりにパッシブな抵抗を入れることも可能です。ただし、パッシブな抵抗では、5A給電を可能にするPower Deliveryには対応できません。

eMarkedケーブルでは、アクティブなチップが入っており、VCONNで駆動され、CCで応答を返します。
またアクティブなeMarkerが入っていないケーブルでも、CCピンをプルアップする抵抗値がケーブルごとに決められており、現在接続されているケーブルが、USB Type-C以外の旧式USBコネクタに接続されているのか、両端USB Type-Cの場合で1.5Aまで対応のケーブルなのか、両端USB Type-Cで3Aまで対応のケーブルなのかを検出することができます。

他の中継/延長ケーブルを使ってしまうと、eMarkerが返す情報と異なるケーブルとなってしまうため、本来1.5Aしか流せないケーブルに5A流すといったことが起こりかねません。
USB Type-Cではバスパワー機器を接続する際、中継/延長ケーブルは安全上、使用しないほうが良いと思います。

アクティブケーブルとパッシブケーブル


USB Type-Cの仕様上でも、eMarkerのところで、アクティブな電子的マーカーという記述をしてしまっているため、混乱しがちですが、アクティブケーブルという場合は、一般的に、信号線に電気的補正を行うケーブルのことを言います。
USB Type-Cでは、4対8本ある高速差動ペアの信号に補正を行います。
画像

これは模式図ですが、ケーブル内でアクティブな回路を使って、信号増幅やノイズ除去といった、信号補正を行うことが可能です。
補正を行うため、任意の信号を流すことはできません。対象となる信号が決まるため、アクティブケーブルは、どんな信号を流すことができるケーブルであるかを示すeMarkerが入っていることが必須となっています。

パッシブケーブルの場合、各データ信号線は単純に銅線でつながっているだけです。
信号補正を行わない代わりに、ケーブルの損失等にさえ適合すれば、どんな電気信号を流すこともできます。
このため、パッシブケーブルは汎用的にAlternate Modeで使用できますが、損失やノイズに対する補正がないため、ケーブル長は制限されることになります。

Alternate Mode


USB Type-Cでは、高速差動ペア4対/8本、SBU1/2を、USB 3.1で定義されている用途以外に使用できます。
これをAlternate Modeと呼びます。
4対/8本の高速差動ペアがあるので、同様に差動信号でデータを送受信する、ThunderboltやDisplayPortが、このAlternate Modeを利用しています。
Alternate Modeでは、ケーブルのeMarkerのチェックと、デバイス間のネゴシエーションで、実際に使用する通信方式を決定します。
こうすることで、同じUSB Type-Cコネクタを持つデバイスどうしでありながら、USB 3.1で接続したり、Thunderbolt 3で接続したり、DisplayPortで接続したりできるのです。

USB 3.1


USB 3.1 Gen.1とUSB 3.1 Gen. 2


USB 3.1では、USB 3.0までの5Gbpsよりも倍以上に高速な伝送を実現しています。
USBは1.1、2.0、3.0と上位互換を維持してきたように、USB 3.1も上位互換となっています。
USB 3.1 Gen.1は、USB 3.0と基本的な部分で同じです。通信は5Gbps (5GT/s)であり、8b/10bエンコードで実データ転送速度は500MB/sを実現しています。
これに対し、USB 3.1 Gen.2は、10Gbpsに高速化し、さらに、128b/132bエンコードに変更することで実データ転送速度で約1.21GB/sを実現しています。
しかし、10Gbpsを安定して通信するため、ケーブル長は1mに制限されています。
USB 3.1 Gen.2互換が保証されているケーブルにはSS10のロゴが印刷あるいはモールドされています。
画像画像

これらはエレコムのUSB認証取得 USB 3.1 Gen.2 PD 5A対応USB Type-C - USB Type-Cケーブルと、BelkinのUSB Type-C - USB MicroBケーブルです。
どちらもUSB 3.1 Gen.2対応ということで、SS10のマークがあります。

USB Power Delivery


USB PDはUSB Type-C限定ではない


USB Power Deliveryは、USBコネクタを使って従来以上の大電力を供給するため、5V以上の電圧や高い電流を流すための規格です。
USB Type-Cに限定されず、USB AコネクタやBコネクタ向けの仕様もあるのですが、実装が容易かつ高い電圧・電流を扱うためにコネクタが改良されていることもあり、事実上、USB Type-Cでのみ使用されています。

USB PDの必要性


USB Type-Cでは、標準で5V/1.5Aもしくは5V/3Aの給電が可能であり、この範囲であればUSB PDに対応する必要はありません。
USB PDに対応する必要があるのは、
1. 5Vより高い電圧を使用する
2. 3Aより高い電流を使用する
3. ホストでありながらクライアントから給電を受ける、あるいは、クライアントでありながらホストへ給電する
といった場合です。

高い電圧と電流に対応


高い電流を安全に流すには、それに耐えられる太さの銅線が使用されている必要があります。そこで、eMarkerに現在使用しているケーブルが1.5A対応か3A対応か5A対応かが記録されています。5Aの情報はパッシブな抵抗値では定義されていないため、USB PDで3Aを超える電流を利用するにはeMarkedケーブルが必須となります。
また、3A以下の場合でも、eMarkedケーブルの利用が推奨されています。
USB PDに対応している機器は、自分が給電側になるのか受電側になるのか、相互に認証し、お互いに供給できる、受けられる、電圧・電流の組み合わせから、ケーブルに流せる電流値以下の値を選択します。
これにより、たとえば、PCが36W(12V/3A)/100W(20V/5A)のACアダプタからの充電に対応していれば、36WのACアダプタに繋いだときは充電を遅く、100WのACアダプタに繋いだときは充電を速くといったことが安全に行えるようになっています。

充電ケーブルの落とし穴?


USB PDを利用するのに、USB 3.1の高速通信に対応している必要はありません。
このため、USB Type-C充電ケーブルの場合、通信用としてはUSB 2.0までしか対応していない場合があります。
MacBook 2015やMacBook Pro 2016に付属するケーブルが、まさにこのUSB PD対応USB 2.0ケーブルになっています。

Thunderbolt 3


Thunderbolt 3とは?


Thunderbolt 3は、Thunderbolt、Thunderbolt 2の後継となる高速シリアルバスです。
Thunderbolt/Thunderbolt 2が、Mini DisplayPortコネクタを転用しているのに対し、Thunderbolt 3ではUSB Type-Cを転用し、USB Type-C Alternateモードで通信しています。

40Gbpsの高速通信


USB 3.1 Gen.2では高速差動ペア2対/4本を使用して10Gbps通信を行っていますが、Thunderbolt 3では、高速差動ペア4対/8本を使用して、各20Gbpsの通信を行います。これにより、上り下り40Gbps(20Gbps×2)の高速通信を実現しています。
画像

USB 3.1ではUSB AコネクタやBコネクタに接続される場合も考えて、高速差動ペアを半分しか使っていませんが、Thunderbolt 3では、USB AコネクタやBコネクタとの互換性を考慮する必要が無いので、全て使用します。

多彩な通信


Thunderbolt 3では、40Gbpsの帯域内で複数のパケットプロトコルを流せるようになっています。
PCI-Express3.0 x4相当、DisplayPort 1.2を2ストリームといったプロトコルを帯域の許す範囲で混在して流すことができます。
このため、PCI-Expressとして外部GPUやオーディオインタフェース、ビデオキャプチャデバイスなどを接続したり、高速HDDやSSDを接続したり、DisplayPort 1.2を2系統取り出すアダプタや、DisplayPort 1.2 2画面分として5Kモニタを接続したり、といったことができます。
また、Thunderbolt Network仕様が定義されており、macOS、WindowsともにThunderboltケーブルで直結すれば、Peer to PeerでTCP/IP接続できます。
画像

これは実際にWindows PCとMacをThunderboltケーブルで接続した状態で、Windows PCからMacintoshが接続済みデバイスとして見えています。ただし、Thunderbolt 3のMacBook Proは持ち合わせていないので、ThunderboltのMac mini Late 2012です。
後ほども話題になるAppleのThunderbolt 3 - Thunderbolot 2変換アダプタを使用しています。
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確かに高速なのですが、HDDが律速になるので、1000BASE-Tに比べて大幅に速いとはいかなかったのが残念。
SSD構成の機種同士で試してみたいですね。

ケーブルの制限


Thunderbolt 3では、専用のケーブルを使用します。
Thunderbolt 3が最初に発表されたときに、
「USB 3.1 Type-Cと同じケーブルを使用する」
とプレゼンテーションがあったため、誤解されている方が多いように思いますが、Thunderbolt 3は
「(物理的に)USB 3.1 Type-Cと同じケーブルを使用する (ただし、eMarkerにThunderbolt 3認証済みの情報が入っていないとThunderbolt 3では接続しない)」
が正しく、互換性のあるケーブルにはThunderboltマークが付いています。

エレコムのUSB 3.1 Gen.2 Type-C 1mケーブルでGA-Z170X-UD5 THとdynabook V82を接続したところ、Thunderbolt Networkでリンクしました。接続が安定するかは検証していないですが、接続自体はできるようです。

これは手持ちのPlugable Thunderbolt 3ケーブル 0.5m/40Gbps品です。
画像

最近の40Gbps対応品には、Thunderboltマークの下に「3」を印刷することになっています。ただし、40Gbps品の中にも「3」が印刷されていない物もあります。
互換性検証を行って認証を取得すれば、物自体はUSB 3.1 Type-Cケーブルと同じなので、Thunderbolt/Thunderbolt 2よりも安価にケーブルを作れるというのは正しいのですが、Thunderbolt 3パッシブケーブルをUSB 3.1用ケーブルとして使用することはできますが、USB 3.1ケーブルをThunderbolt 3ケーブルとして使用することはできません。

アクティブケーブルとパッシブケーブル


Thunderbolt 3では、USB 3.1と同様、アクティブケーブルとパッシブケーブルが提供されています。
USB 3.1よりは安定した高速通信が行えるようになっているとはいえ、高速伝送を長距離で行うのは厳しいようで、ケーブル長は以下のように制限されています。
1.パッシブケーブルは最長2mまで。0.5m以下の場合40Gbps対応。0.5mを超える場合20Gbps対応
2.アクティブケーブルは最長2mまで。40Gbps対応。
3.信号を電気信号から光信号に変えて光ファイバで送受信するオプティカルアクティブケーブルの場合、2mを超えるケーブルが可能。ターゲットは最長60m。
2016/12 現在市販されているケーブルでは、Belkinから2mのアクティブケーブルが、Cable Mattersから1mおよび2mのアクティブケーブルがある他は、パッシブケーブルのようです。
現在市販されているアクティブケーブルはDisplayPort Alternate Modeと互換がないだけでなく、USB 3.1との互換性もありません。USB 2.0ケーブルとしては使用できますが、USB 3.1で使用したい場合はパッシブケーブルもしくはUSB 3.1ケーブルを用意する必要があります。
こちらがBelkinのThunderbolt 3 2m/40Gbpsです。
画像

このケーブルは40Gbps対応品ですが、Thunderboltマークの下に「3」が印刷されていません。最近のケーブルは40Gbps対応の場合「3」を印刷することになっています。Belkinなので心配する必要は無いと思いますけれど、見分けるのには面倒ですね。
なお、Plugableの0.5m/40Gbpsケーブルと、Belkinの2m/40GbpsケーブルをUSB 3.1 Gen.2ケースに入れたSSDでベンチマークを取った結果がこのとおり。
画像画像

ケーブルが違うだけで、USB 3.1 Gen.2の速度と、USB 2.0の速度の差が出ます。
Thunderbolt 3パッシブケーブルは、高品質なUSB 3.1 Gen.2ケーブルとして使用できますが、Thunderbolt 3アクティブケーブルはThunderbolt 3だけで使用する方が良さそうです。

Thunderbolt 3の互換性問題


Thunderbolt 3でもドライバが対応しないといった理由で互換性がとれない場合があるのですが、それ以上に大きな問題がMacBook Pro 2016で発生しています。(12/1現在)
MacBook Pro 2016では既存のThunderbolt 3デバイスとの接続が拒否されています。
macOSが接続できないようにしているのですが、どうやら、2016/12現在唯一のThunderbolt 3チップセットであるIntel Alpine Ridgeシリーズと組み合わせて使う、TI USB PDコントローラチップが、第一世代チップのデバイスと第二世代チップのデバイス間で接続すると、USB PDが正しく動作しない問題が起こっているようです。
MacBook Pro 2016が第二世代チップを使用しているため、第一世代チップを使った既存のデバイスとの接続で問題が出るようです。
デバイスメーカー各社は、2017年早々にも、Windows/MacBook Pro両対応のデバイスを発売する予定だそうなので、MacBook Proを使う予定の方は、今発売されているThunderbolt 3デバイスは買わないで、来年のWindows/Mac両対応のデバイスの発売を待つ方が良さそうです。

DisplayPort Alternate Mode


DisplayPortコネクタに代わるインタフェース


DisplayPort Alternate Modeでは、USB Type-Cの高速差動ペア4対/8本を使用して、DisplayPort 1.3相当の高速データ伝送を行います。
ビデオ出力の場合、必ずしもモニタ側から大容量データを転送する必要は無いので、解像度、リフレッシュレートを抑えても便利に利用したい場合と、とにかく高解像度・高リフレッシュレートの画面を送りたいときとで、DisplayPort Alternate Modeでは以下の2種類の通信を切り替えられます。
1.高速差動ペア4対全て画像の送信用に使用し、5K以上の映像に対応する
2.高速差動ペア2対のみ画像の送信用に使用し、画像は4K/60Hzまでに抑えて、残りの2対でUSB 3.1接続を行う
画像

これにより、4Kモニタを接続しつつ、USB 3.1の高速なハブやEthernetなどの機能をデバイス側に追加することができます。
また、高速差動ペアを全て画像の送信用に使用した場合でも、USB Type-CにはUSB 2.0の信号線があるため、USB 2.0での接続は可能です。

DisplayPortゆえの悲劇?


Appleなどから、Thunderbolt 3 → Thunderbolt 2変換アダプタが発売されています。
画像

Thunderbolt 2はMini DisplayPortコネクタを転用して、Mini DisplayPortとの切換ができていたため、Thunderbolt 3 → Thunderbolt 2変換アダプタでMini DisplayPort出力もできるものと勘違いされた方も多数いるようです。
Thunderbolt 3からMini DisplayPortを取り出したい場合は、USB Type-C → DisplayPortケーブルを購入するか、Thunderbolt 3 → DisplayPort 変換アダプタを購入しましょう。
Thunderbolt 2はDisplayPortではありません。

その他


USB Type-Cには、USB 3.1、Thunderbolt 3、DisplayPort Alternate Modeの他にも、Audio Adopter Accessory Mode、MHL Alternate Modeなど、まだまだUSB Type-Cの活躍の場は増えそうです。
iPhone 7が3.5mmイヤフォンジャックを廃止して、Lightningで全てをまかなうようになりましたが、AndroidもイヤフォンジャックやMHLなども含めてUSB Type-Cに統一されていきそうです。
MacBookもMacBook ProもUSB Type-Cに集約されていくということで、iPhoneやiPadもLightningを廃止してUSB Type-Cに向かうのかもしれません。

参考にしたサイト


USB.org
USBの規格書を参照するなら当然ここへ。
Thunderbolt Technology Community
Thunderboltの技術情報を得るならここ。ただし、詳細な規格書などは契約を結ばないと見られません。
Lacie USB-Cに関するよくあるご質問
ケーブルの互換性について詳しく書かれています。
ITmedia COMPUTEX TAIPEI 2015:Intelが「Thunderbolt 3」を発表――USB 3.1 Type-Cとの共存で延命へ【詳報】
製品化前の発表時点での記事です。
COMPUTEX TAIPEI 2016 - 対応ケーブルの問題や外付けGPUユニットなどThunderbolt 3の最新動向を紹介
マイナビNewsの記事です。COMPUTEX TAIPEI 2016でアップデートされたThunderbolt 3の情報です。
Thunderbolt 3 | Plugable
Plugable社のThunderbolt 3製品情報です。MacBook Pro Late 2016と初期のThunderbolt 3製品の互換性について記述があります。
DisplayPortをUSB Type-Cコネクタで使える拡張仕様が発表に - PC Watch
DisplayPort Alternate Modeに関する記事です。
Thunderbolt 3とUSB Type-Cの関係性について調べた
2016/12現在、購入できるThunderbolt 3ケーブルなどについてよくまとまっています。
Wikipedia Thunderbolt
Wikipediaの記述も裏取りは必要ですが、情報のポインタが良く集まっていて探し始める起点としてやはり便利です。
USB超入門(3) USB Type-Cとは?[RATOC]
USB 3.1, Power Delivery, Type-Cについて概略がまとめられています。

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