USBのおべんきょう その2（自分用：USB Type-Cについてまとめてみた）(追記アリ）

昨今流行りのUSB Type-C。

裏表なし（どちらの面でも接続可能）、多様なプロトコルをサポートと

いいことづくめのように見えます。

折角USB Type-C対応機器を購入するので、このあたりについても 

 自分なりに勉強時の備忘録としてまとめました。

以下の記事の続きです。

makoro.hatenablog.jp

●USB Type-Cについて

USB Type-Cの特徴を挙げると以下のとおり。

・USB2.0Mini-Bより小さい、USB2.0Micro-Bより大きいコネクタサイズ

・USB伝送規格はUSB2.0、3.0、3.1Gen1/Gen2をサポート

・コネクタはリバーシブル(裏表どちらでも接続が可能)

・USB Type-C PDをサポートすることにより、最大100Wまでの電力伝送が可能

・後述のAlternate Modeを利用することによりDisplayport/Thunderbolt3等多様な

　信号がUSB-Cポート/ケーブルで伝送可能

Thunderbolt3(Tb3)はPCI-E Gen3 x8レーンをサポートしているので、

技術的にはほぼなんでもつながる(Tb3でPCI-Eとして周辺機器を接続すれば、

PCI-Eが利用できる周辺機器なら接続は理論的には可能のハズ)

参考：

https://thunderbolttechnology.net/sites/default/files/Thunderbolt_3_Overview_Brief_FINAL.pdf

●USB Type-Cの形状、寸法、ピンアサインについて

USB　Type-Cレセプタクルの形状、及びピンアサインは以下の通り

USB Type-Cプラグは対応規格種別により以下の2パターンが存在

・パターン1)USB3.0/3.1、Displayport、Thunderbolt3へ対応

→全ピン結線仕様

・パターン2)USB2.0のみ(まで?)に対応

→特定のピンのみが存在する仕様

レセプタクルのピンアサインは下記の通り。

プラグのピンアサインは下記の通り。RATOCのサイトより引用

しかし、Specificationをよく読むと、プラグ側とレセプタクル側でピンアサインが違うことがわかる

・レセプタクル側ピンアサイン

・プラグ側ピンアサイン

具体的にはB5ピンがレセプタクルでCC2(Configuration Channel 2)、

プラグ側でSBU2(SidebandUse 2)とアサインが変わる。

RATOCのサイトにある画像によると「Plug Configuration Detection」とあることから

このピンで表裏を判別していると思われる。

また、「4.5.1.2 Connecting Sources and Sinks」に詳細な裏表の判別方法が載っており、CC1/CC2の結線によって判別を行っていることがわかる。

具体的にはCC1/CC2のどちらかがE-Makerと接続され、もう一方がVconnと接続される

E-Markerに接続したピンからE-Markerへ電力が供給され、プルアップ抵抗/プルダウン抵抗の組合せに接続されているピンの組み合わせをCCとして利用する。

これによりケーブルの表裏を適切に判別し、ピンをConfigすることができる。

(厳密には正常な信号線の対となるように設定することが可能になる)

動作についてはSpecification資料を参照してもよいが、以下のURLがよりわかりやすく説明されていた。

USB Type-Cの革新、同市場を20年間リードしてきたCypressが解説：USB Type-Cで逆挿入や多様な電力供給が可能に、その仕組みは？ - EDN Japan

 またこのCCは「2.1 Introduction」節に「In addition, the Configuration Channel is used to set up and manage power and Alternate/Accessory Modes.」とあることから

USB PCおよびAlternative Modeのセットアップ(モード変更？)に利用される模様。

「High Speed Data Path(SSTX/SSRXとSpecification上では書かれているピン、以降HSDPと表記)」と呼ばれるピンがTX1/RX1,TX2/RX2と2系統用意されている。

(各送受信ピンに+/-があるため、ディファレンシャル動作していると予想)

コネクタのピンアサイン上からは、USB3.1を2系統流せるだけのピン数を持っていることが読み取れる

追記(2017/06/24)：上記2系統というのは勘違い。Standard-Aですら追加5ピンなのに、単方向の追加品が2本で済むわけがない。StandardのGND_DRAINピン以外のピンを結線してディファレンシャル駆動してると推測。

【笠原一輝のユビキタス情報局】DisplayPort/Thunderbolt/ACアダプタを飲み込んだUSB Type-C ～5年後ノートPCの専用アダプタは消滅する? - PC Watch

(2017/06/27追記)やはり辻褄が合わないと考えて色々調べていると、

どうやら2系統のUSB3.1(HSDPx2系統)で合っているとのこと。

片面に4ピン、両面で8ピン分のHSDP、Standard-AのGND_DRAINを除いたピンが

片面に1系統、両面で2系統ある。

(というか2系統ないとDisplayport Alt ModeでUSB3.1と同時に利用できることと

辻褄が合わないことになる)

参考(引用元)：

・Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

Figure 3-1,3-3、3-9

・USB超入門(3)USB Type-Cとは？[RATOC]

●USB Type-Cでのホスト（親）とデバイス（子）の取扱について

USB Type-Cの革新、同市場を20年間リードしてきたCypressが解説：USB Type-Cで逆挿入や多様な電力供給が可能に、その仕組みは？ - EDN Japan

USB Type-Cではホスト側/デバイス側のレセプタクルが同一形状となったため

ホスト側の役割を持つデバイスのことをDFP(Downstream Facing Port)、

デバイス側の役割を持つデバイスのことをUFP(Upstream Facing Port)、

と呼ぶ。

なお、別投稿としてPDは別途解説するが、

電力を供給(給電)するポートをSource、

電力を受ける(受電)するポートをSinkと呼ぶ。

また上記とは別に、DRD (Dual-Role-Data)というものがあり、

これはDFP/UFP両方の機能を切り替えることができるType-Cポートのことを指す。

PDについても同様で、DRP (Dual-Role-Power)というものがあり、

これもネゴシエーションにより給電方向の決定が可能な機能となっている。

参考：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

　1.5 Terms and Abbreviations

●USB Type-CでDisplayport/Thunderbolt3を実現する方法について

DisplayPortをUSB Type-Cコネクタで使える拡張仕様が発表に - PC Watch

【イベントレポート】【詳報】Intel、USB Type-Cコネクタを採用し、40GbpsになったThunderbolt 3を発表 - PC Watch

USB Type-CではUSBの信号をやり取りするほか、Alternative Mode(Alt Mode)

と呼ばれるUSB3.1のピンを利用した別プロトコルの伝送モードがある。

この仕組みを利用してUSB Type-Cケーブルを用いながら、Displayportの信号を流したり、PCI-Expressの信号を流したり(Thunderbolt3)、様々なプロトコルを伝送することが可能。

●Aiternative Modeいろいろ

最新ディスプレイ講座――HDMI、DislplayPortから先進のUSB Type-Cまで映像入力インタフェース徹底解説 | EIZO株式会社

両面どちらでも挿せるUSB Type-C対応の「MHL Alt Mode」 - AV Watch

USB Type-C端子からHDMI出力する「HDMI Alt Mode」。対応機器は'17年登場 - AV Watch

USB超入門(3)USB Type-Cとは？[RATOC]

・Displayport Alt Mode

　HSDPをUSB3.0/3.1 1系統+Displayport 1系統の利用の模様。

　現行ではDisplayport1.4(10bit 4K UHD@60Hz/4k UHD@120Hz/8k UHD@60Hz)の対応

・MHL Alt Mode

　MHLとしてもUSB Type-C Alt Modeに対応する。

　こちらもUSB30/3.1の1系統+HDMIの1系統としてのHSDP利用だろうか。

　出力側はHDMIケーブルなので、HDMIの系統しか利用していないのであろうか。

　間にUSB3.0→HDMI CEC信号変換できるチップを組み込めば、

　USB Type-C→HDMIのMHLケーブルでCECやHECに対応できるかもしれない。

・HDMI Alt Mode

　HDMI1.4bまでの対応(4k30p、シネマ4k24p)

　MHL Alt Modeとの違いが微妙・・・だと思ったら、こちらはAlt Modeといっても

　HSDPを2系統とも(＋GNDやHSDP以外のピンも併せて)利用し、HDMIのピンを

　ほぼそのままUSB Type-Cとして置き換えている様子。

　そのため、USBと同時利用はできない

　(ピンアサインを見る限り、USB2.0なら利用可能そうだが。。。)

　挿入方向検知用のピン(8番、Plug Configuration Detection)も

　伝送に用いているように見えるので、どうやって挿入方向を判定しているのかは謎。

・Thunderbolt3 Alt Mode

　こちらもHSDPを2系統利用して、Thunderbolt(Tb)の信号を伝送。

　パッシブケーブル(USB Type-Cケーブルと同じものが使える)の場合20Gbpsまで。

　Tbt3として、

　　-Displayport1.2 x2系統

　　-USB3.1

　　-PCI Express

　　-USB Type-C PD(Power Delivery、100Wまで)

　を機能的にインクルードしているとのこと。

　HDMI Alt Modeと同じくHSDPを2系統使うAlt Modeだが、

　Tb3対応コントローラとしてUSB3.1を他のプロトコルと同時に流せるため

　Tb3とUSB3.1を同時に利用することは可能。

    またTb3規格としてもPDを同時利用することが可能な設計となっているため、

    最大で100W(20V5A)の電力伝送が同時に利用可能となっている。

●Alternative Modeへ動作モードの切り替え

Tb3を始めとしたAlt Modeへの切り替えはCCピンを用い、ネゴシエートを行って決定される。

なおCCピンはUSB PD(Power Delivery)の電力ネゴシエートにも利用される。

参考：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

5.1 Alternate Modes

http://info.tek.com/rs/584-WPH-840/images/F-1_TIF2015_USB31_PD.pdf

●USB Type-Cケーブルの種類

1)Type-C⇔Type-Cケーブル

対応伝送規格に併せ、以下の6種類が規定されている。

伝送規格の対応としては3種類だが、通過電流の容量により2つのタイプに分類される。

このうち、USB3.0/3.1の伝送信号を流せるタイプのものは、Full-Featured Cableと表記される場合がある。

ケーブルの最大長は対応するUSB規格によって異なり、

USB2.0対応：～4m

USB3.1 Gen1対応：～2m

USB3.1 Gen2対応：～1m

となる。

2020/7/7追記：

トラックバック頂いて知りました。各C-Cケーブル、A-Cケーブルの配線図をわかりやすくまとめた記事となっています。

dvorak55.hatenadiary.jp

2)Type-C⇔レガシーUSB規格ケーブル

USB Type-Cケーブルは対向機器側のコネクタ種別、対応規格等の違いにより、

ケーブル、コネクタを併せ以下の9種類が規格で策定されている。

・USB 3.1 Type-C to Legacy Host cable with a USB Full-Featured Type-C plug at one end and a USB 3.1 Standard-A plug at the other end – this cable supports use of a USB Type-C-based device with a legacy USB host

→USB3.1 Aプラグ⇔Type-Cプラグ、USB3.1信号伝送可能、Type-CデバイスはUFPとして動作すると思われる。最大1m、3Aまで対応

 ・USB 2.0 Type-C to Legacy Host cable with a USB 2.0 Type-C plug at one end and a USB 2.0 Standard-A plug at the other end – this cable supports use of a USB Type-C-based device with a legacy USB 2.0 host (primarily for mobile charging and sync applications)

→USB2.0 Aプラグ⇔Type-Cプラグ、USB2.0信号伝送可能、モバイルデバイス充電&データ伝送用としての利用を想定、Type-CデバイスはUFPとして動作すると思われる。最大4m、3Aまで対応

・USB 3.1 Type-C to Legacy Device cable with a USB Full-Featured Type-C plug at one end and a USB 3.1 Standard-B plug at the other end – this cable supports use of legacy USB 3.1 hubs and devices with a USB Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB3.0 Standard-Bプラグ、USB3.1信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる

・USB 2.0 Type-C to Legacy Device cable with a USB 2.0 Type-C plug at one end and a USB 2.0 Standard-B plug at the other end – this cable supports use of legacy USB 2.0 hubs and devices with a USB Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB2.0 Standard-Bプラグ、USB2.0信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大4m、3Aまで対応

・USB 2.0 Type-C to Legacy Mini Device cable with a USB 2.0 Type-C plug at one end and a USB 2.0 Mini-B plug at the other end – this cable supports use of legacy devices with a USB 2.0 Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB2.0 mini-Bプラグ、USB2.0信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大4m、500mAまで対応

・USB 3.1 Type-C to Legacy Micro Device cable with a USB Full-Featured Type-C plug at one end and a USB 3.1 Micro-B plug at the other end – this cable supports use of legacy USB 3.1 hubs and devices with a USB Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB3.1 Micro-Bプラグ、USB3.1信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大1m、3Aまで対応

・USB 2.0 Type-C to Legacy Micro Device cable with a USB 2.0 Type-C plug at one end and a USB 2.0 Micro-B plug at the other end – this cable supports use of legacy USB 2.0 hubs and devices with a USB Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB2.0 Micro-Bプラグ、USB2.0信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大2m、3Aまで対応

表としてまとめると以下の通り。Type-C⇔mini-Bケーブルは流せる電流量が

500mAしか規格化されていない点には注意が必要。

3)Type-C⇔レガシーUSB規格変換アダプタ

・USB 3.1 Type-C to Legacy Standard-A adapter with a USB Full-Featured Type-C plug at one end and a USB 3.1 Standard-A receptacle at the other end – this adapter supports use of a legacy USB “thumb drive” style device or a legacy USB ThinCard device with a USB 3.1 Type-C-based host

→Type-Cプラグ⇔USB3.1 Aレセプタクル、所謂USB Type-C→USB3.1変換アダプタ、USB3.1信号伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大0.15m、3Aまで対応

・USB 2.0 Type-C to Legacy Micro-B adapter with a USB 2.0 Type-C plug at one end and a USB 2.0 Micro-B receptacle at the other end – this adapter supports charging a USB Type-C-based mobile device using a legacy USB Micro-B-based chargers, either captive cable-based or used in conjunction with a legacy USB 2.0 Standard-A to Micro-B cable

→Type-Cプラグ⇔USB2.0 Micro-Bレセプタクル、所謂MicroUSB2.0→Type-C変換プラグ、USB2.0伝送可能、Type-CプラグはDFPとして動作すると思われる。最大0.15m、3Aまで対応

表としてまとめると以下の通り。

・Type-Cケーブル、変換アダプタに必要な抵抗について

USB前夜から歴代コネクタたちを偲びつつ：これから世界を席巻する!? USB Type-Cを知る (5/6) - EE Times Japan

Type-Cケーブルは給電側の能力を識別するためにプルアップ抵抗値が

電流別に決められている。

Type-C⇔Type-CケーブルがDFP/UFPに接続される際、CCピンの電圧・および電流は

「DFP側のプルアップ抵抗+UFP側のプルダウン抵抗」の合成抵抗値によって決まる。

また、逆説的に言えば、DFP側でプルアップ抵抗の種類を変更することにより

UFP側に給電能力を通知することができる。

一方、レガシーコネクタ(USB3.0-A/USB2.0-A等）への変換ケーブルの場合、

CCピンは56kΩの抵抗を介してVbusへ接続することが推奨されている。

（以下Table3-12　Note2）

例：USB3.1 Standard-A⇔Type-Cケーブルピンアサイン

この場合、Type-CのCCピンネゴシエートでは上記Table4-15にある

「Default USB Power」がType-Cデバイス側(UFP)に通知されることになるため

大電流が流れないようになる。

市場に流通しているAtoCケーブルには22kΩや10kΩを搭載したものがあるため

これらを1.5Aや2A給電不可能なポートに接続して利用すると、最悪の場合

ホスト側のUSBポートが過電流で焼損する可能性があるため注意が必要。

従来コネクターとの接続には「56kΩ抵抗」が必要 - 日経トレンディネット

「USB Type-C」問題と安全に使える製品のまとめ―規格の解説やチェック方法など | AndMem

USB Type-Cケーブルの56kΩ抵抗問題とは | HANPEN-BLOG

しかし裏をかえせば、変換ケーブル/アダプタ経由では

大電流で充電できないことになるので、ここは実機で確認を行いたいところ。

参考(引用元)：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

Table3-1、3-2、3-3、4-15、3-12

●Type-C⇔Type-Cケーブル(の大多数)に必要な「Electronically Marked Cable」について

E-Marked Cableとも呼ばれ、ケーブルがサポートしている仕様やベンダ情報をホスト側に通知するためにチップがケーブルに内蔵され利用される。

しかしながら、

「All USB Full-Featured Type-C cables shall be electronically marked.」

と仕様書中に記載がある通り、mustではない模様。

USB-IFの認証がある場合はE-Markedチップを内蔵しているものと思われる。

 該当部分の回路図は以下の通り。SOP'の配置により2パターンがある？

SOP'とはStart of Packet Sequence Primeの略で、DFPがケーブルと通信する場合のパケットの開始を示すコードのこと。

 SOPはSOP,SOP',SOP''と複数の記述が見受けられるため、詳細な違いを探したが

難解過ぎてよくわからなかった。後日改めて読んでみたい。

参考(引用元)：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

Table3-1、3-2、3-3、Figure4-15,4-37

USB Type-Cの革新、同市場を20年間リードしてきたCypressが解説：USB Type-C、機器設計には多機能な制御ICが役立つ - EDN Japan

http://info.tek.com/rs/584-WPH-840/images/F-1_TIF2015_USB31_PD.pdf

●Thunderbolt3のActiveケーブルについて

【イベントレポート】【詳報】Intel、USB Type-Cコネクタを採用し、40GbpsになったThunderbolt 3を発表 - PC Watch

 Tb3で使用するケーブルは、大まかに分けて以下の２つがある。

1)Psassiveケーブル

2)Activeケーブル

Passiveは信号損失補完なしのケーブル、Activeは損失を補完してくれるケーブル。

実際にはそれぞれの種別ごとに更に制限がある。

制限は以下のとおり。

1)Tb3のPassiveケーブルに関する制限

http://knowledge.seagate.com/articles/ja/FAQ/007771ja?language=ja

PassiveケーブルとはUSB Type-C⇔Type-Cケーブルのうち、

USB Type-C用として規格化されたものを利用する方法。

Tb3がType-CのAlt Modeを用いて実装されている関係上、Full-Featured Cable(3.1対応ケーブル)である必要がある。

なお、長さにより最大伝送速度が変化し、

2m以下：20Gbps

50cm以下：40Gbps

という速度の制限がある。50cm以下の長さであれば、既存のType-C-Cケーブルを

Tb3の伝送に流用可能。

 またTb3プロトコル自体はPDの信号・電力も同時に伝送することが可能な設計となっているため、USB Type-C PDの規格の上限である最大100Wの電力伝送が可能。

なおPDに対応させる場合、E-Markedケーブルが必要となる。

2)Tb3のActiveケーブルに関する制限

Tb3のActiveケーブルは信号の損失を補完するチップが内蔵されているため、

原理的に既存のケーブルの流用も、またTb3のActiveケーブルを

Tb3非対応のポートでは利用できない。

LINTES Thunderbolt 3 2M 40Gbps Active Cable | Thunderbolt Technology Community

例えば↑の2m Active Copper Cableは注釈に

「Active TBT3 cable doesn’t support native DP alternate mode and USB3.1 Gen1 & Gen2 mode」と記載がある。

またTb3のActiveケーブルは以下の2つに分類され、それぞれの特徴は以下の通り。

・Tb3 Active Copperケーブル

→メタルケーブル、最大2mまで

→伝送速度は40Gbps

・Tb3 Active Opticalケーブル

→光ケーブル、最大60mまでを見込む

→伝送速度は40Gbps

Tb3自体はPDを意識して仕様策定がされているが、Opticalケーブルは伝送媒体が光ファイバとなるため、電力の重畳は不可能だと思われる(未確認)

Type-C　SpecificationにはCopper Active Cableについての模式図が記載されている

見比べるとわかるが、

Electronically Marked Cableのどちらとも違う回路となっている。

参考：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

Figure 5-7

●Type-Cコネクタを用いた音声コネクタについて

Type-Cコネクタはオーディオ用途を想定した規格も規定されている。

ピンアサインは以下の通り。

通常のステレオプラグと、一部の配線をVccと接続し500mAの供給を可能にしたものと

2つのパターンが存在する模様。当然表裏どちらでも問題ないピン配置となっている。

ピンアサインを見るとUSB2.0用に確保されているピンを使用している模様。

また最後にAppendix Cとして「USB Type-C Digital Audio」の項目が予約されていることから、将来的にはデジタル出力が可能になると思われる。

参考(引用元)：Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision1.2

Figure A-1、A-2

●まとめ

・表裏どちらでも挿せると簡単には言うが、ピン配置を工夫してうまく作られている

・Alt Modeを応用すれば汎用性がかなり上がる

・USBケーブルがType-C⇔Type-Cケーブルで3種類、Type-C⇔旧来プラグ・レセプタクルで計9種類ある

・Tb3対応のActiveケーブルを加えるとType-C⇔Type-Cケーブルが5種類に増える

・Alt Modeはこれからも増えそうな感じ

・ケーブルはプルアップ抵抗に注意

・次回以降に解説するPD(Power Delivery)も含めるとケーブルの種類は非常に多くなる、選択には知識が必要。

・「xxとxxの規格に対応したポート（レセプタクル）である」ことの理解と、

　「xxという仕様に対応したケーブルである」ことの両方をしっかり確認して購入しないと悲劇が起きる。

　例：「USB3.1 Gen1+DP Alt Mode対応のポート」＋「Thunderbolt3 Activeケーブル」

　→どちらもType-Cレセプタクル/プラグのため、物理的な接続は可能だが、

　　ケーブルがUSB3.1 Gen1とDP　Alt Modeに対応しないため通信ができない

当初の想定よりかなり増えた自分用まとめになってしまった。

Type-C規格はてんこもり過ぎて、なんでも1つのコネクタで済むのはいいが、

かえってややこしさを招いているのでは？という感覚に陥る。

続きはこちら。

makoro.hatenablog.jp

エレコム USB-Cケーブル C-C 0.5m USB3.1Gen2 認証品 PD対応 5A出力 ブラック USB3-CC5P05NBK