USB について

Oct 15, 2023

USB-C の驚くべき点の 1 つは、その高速機能です。 このピン配置により、4 つの高速差動ペアとさらにいくつかの低速差動ペアが提供され、1 セント硬貨よりも小さなコネクタを介して大量のデータを送信できるようになります。 すべてのデバイスがこの機能を利用できるわけではありませんし、またその必要もありません。USB-C は、太陽の下ですべてのポータブル デバイスがアクセスできるように設計されています。 ただし、高速ニーズのあるデバイスを USB-C 経由で公開する場合、USB-C がどれほど多くの機能を提供し、どれほどうまく機能するかは素晴らしいことです。

USB-C から高速インターフェイスを取得する機能は、代替モード (略して「altmode」) と呼ばれます。 現在遭遇できる代替モードは USB3、DisplayPort、Thunderbolt の 3 つですが、HDMI や VirtualLink のように忘れ去られてしまったものもあれば、USB4 のように今後登場するものもあります。 ほとんどの altmode は、PD チャネル経由で特定の種類のメッセージを使用したデジタル USB-C 通信を必要とします。 とはいえ、すべてがそうであるわけではありません。USB3 が最も単純です。 アルトモードの仕組みを見てみましょう。

ピン配置を見たことがあれば、高速ピンも見たことになります。 今日は、現在これらのピンからどのようなインターフェイスが得られるかを紹介したいと思います。 これは完全または広範なリストではありません。たとえば、USB4 のようなものについては説明しません。これは、私が USB4 を十分に理解しておらず、経験がないことも理由の 1 つです。 そして将来的には、USB-C を搭載した高速デバイスがさらに登場することは確実です。 さらに、USB-C は十分な柔軟性があるため、ハッカーが USB-C 準拠の方法でイーサネットや SATA を公開できる可能性があります。それを探している場合は、おそらくこの概要がそれを理解するのに役立ちます。

USB3 は非常にシンプルです。TX と RX のペアが 1 つずつあり、伝送速度は USB2 よりもはるかに高速ですが、ハッカーにとっては扱いやすいものです。 USB3 信号のインピーダンス制御を備えた多層 PCB を使用し、差分ペアを尊重すれば、USB3 接続は通常機能します。

USB3 over USB-C では、大きな変更はありません。ローテーションを処理するためのマルチプレクサが存在しますが、それだけです。 USB3 マルチプレクサは豊富にあるため、ボードに USB3 対応 USB-C を追加する場合は、ほとんど問題はありません。 スループットを向上させるために 2 つの USB3 リンクを並列に使用するデュアルリンク USB3 もありますが、通常、ハッカーはこれに遭遇することも必要とすることもありません。また、この領域は Thunderbolt によってより適切にカバーされる傾向があります。 USB3 デバイスを USB-C に変換したいですか? 本当に必要なのはマルチプレクサだけです。 高速デバイス用にボードに MicroUSB 3.0 コネクタを搭載することを考えている場合は、再考して代わりに USB-C ソケットと VL160 を搭載するよう、丁重に、しかし断固としてお願いします。

プラグを備えた USB3 デバイスを設計している場合は、回転処理のためのマルチプレクサさえ必要ありません。実際、回転検出も必要ありません。 USB-C ポートに直接接続する USB3 フラッシュドライブを構築したり、USB-C オス - USB-A 3.0 メス アダプタを作成したりするには、監視されていない 5.1 kΩ 抵抗 1 つで十分です。 ソケット側では、犠牲にする予備の USB3 接続がある場合、マルチプレクサの使用を避けることができますが、もちろん、それは素晴らしい取引ではありません。 私は、そのような接続が USB3 デュアルリンク対応であるかどうかを言えるほどデュアルリンク USB3 については知りませんが、「はい」よりも「いいえ」の方が答えられる可能性が高いと考えています。

DisplayPort (DP) は、高解像度ディスプレイを接続するための素晴らしいインターフェイスです。デスクトップ スペースでは HDMI を追い越し、eDP 形式で組み込みディスプレイ スペースを支配しており、1 本のケーブルで HDMI よりも優れた高解像度を提供します。 DP++ と呼ばれる規格を使用した安価なアダプターを使用して DVI または HDMI に変換でき、HDMI ほどロイヤルティの負担がありません。 特に SoC の DisplayPort トランスミッターの人気が高まっていることを考えると、VESA コンソーシアムが USB グループと協力して DisplayPort サポートを実装したことは理にかなっています。

HDMI または VGA 出力を備えたドックを使用している場合は、内部で DisplayPort altmode が使用されています。 モニターには DisplayPort over USB-C 入力が搭載されることが多くなり、MST と呼ばれる機能のおかげで、モニターをチェーンして 1 本のケーブルでマルチモニター構成を実現できます。ただし、Apple が拒否しているように Macbook を使用している場合は別です。 MacOS で MST をサポートするため。

また、興味深い事実 – DP altmode は、SBU ピンを使用する唯一の altmode の 1 つであり、SBU ピンは DisplayPort AUX ペアに再利用されます。 USB-C ピンが全体的に不足しているということは、DP++ HDMI/DVI 互換モードを除いて DP 構成ピンを省略する必要があることも意味し、その結果、すべての USB-C DP to HDMI アダプタは、実際にはアクティブな DP-HDMI コンバータになります。 disguise – HDMI サポートにレベル シフターを使用できる DP++ とは対照的です。

DisplayPort をいじりたい場合は、DP をサポートするマルチプレクサが必要になる可能性がありますが、最も重要なのは、カスタム PD メッセージを送信できる必要があることです。 まず、「DP アルトモードの提供/要求」部分全体が PD を通じて行われます。抵抗だけでは十分ではありません。 さらに、DisplayPort の重要な信号である HPD 用の空きピンがなかったため、ホットプラグ イベントと割り込みは代わりに PD チャネル経由でメッセージとして送信されます。 とはいえ、実装はそれほど難しいものではなく、ハッカーに優しい実装を検討しています。それまでは、DP altmode を使用して USB-C ポートから DP または HDMI を出力する必要がある場合は、次のようなチップがいくつかあります。 CYPD3120 を使用すると、そのためのファームウェアを作成できます。

DP Altmode を際立たせる素晴らしい点は、USB-C に 4 つの高速レーンを備えたこの Altmode により、USB-C ポートの片側で USB3 接続を、もう一方で 2 レーンの DisplayPort 接続を組み合わせることができます。 これは、すべての「USB3 ポート、周辺機器、および HDMI 出力」ドックがどのように機能するかです。 デュアル レーンの解像度が制限されている場合は、4 レーン アダプターを入手することもできます。USB3 がないためデータ転送はありませんが、追加の 2 つの DisplayPort レーンを通じてより高い解像度またはフレームレートを得ることができます。

私の考えでは、DisplayPort altmode は、まさに USB-C の最も優れた点の 1 つであり、最も安価な (または設計が間違っている) ラップトップや携帯電話はこれをサポートしていませんが、これをサポートするデバイスがあるのは喜ばしいことです。 もちろん、Google のように、大企業が真っ向から喜びを奪うこともあります。

Google は開発中にカーネル内でこれを明示的に無効にしました。 https://t.co/4QyMitc0Hq

理由は示されていない。

835 以降の Qualcomm チップは、DisplayPort Alt Mode をネイティブにサポートしています。https://t.co/Bv94GsqLFL

ライセンス料もかかりません。

— ミシャール・ラーマン (@MishaalRahman) 2019年10月31日

その点で、それらすべての中で最も複雑なアルトモードについて話しましょう。

特に USB-C では、Thunderbolt 3 が入手可能であり、間もなく Thunderbolt 4 も入手可能になりますが、それは今のところフィクションです。 Thunderbolt 3 は当初は独自の仕様でしたが、最終的には Intel によってオープンソース化されました。 明らかに、彼らはそれを十分にオープンソース化していないか、あるいは別の警告がある。なぜなら、世に出ている Thunderbolt 3 デバイスは依然として Intel チップのみを使用して構築されているからである。私の推測では、競争の欠如が価格を 3 倍に固定している原因であると考えている数字の領域。 そもそもなぜ Thunderbolt デバイスを探すのでしょうか? 高速化以外にも、素晴らしい機能があります。

Thunderbolt 経由で PCIe パススルーを実現できます。最大 4 倍の幅のリンクも可能です。 これは、eGPU サポートや NVMe ドライブ形式の高速外部ストレージを求める人々の間で話題となっており、一部のハッカーはこれを PCIe 接続の FPGA に使用しています。 Thunderbolt をサポートする 2 台のコンピュータ (たとえば 2 台のラップトップ) がある場合は、Thunderbolt 対応ケーブルを介してそれらをリンクすることもできます。これにより、追加のコンポーネントを必要とせずに、2 台の間に高速ネットワーク インターフェイスが作成されます。 ああ、もちろん、Thunderbolt はその内部で DisplayPort と USB3 を簡単にトンネリングできます。 Thunderbolt 間の技術は非常に強力であり、パワーユーザーにとってはおいしいものです。

とはいえ、このクールさはすべて、独自の複雑な技術スタックを犠牲にして実現されています。 Thunderbolt は、単独のハッカーが簡単に構築できるものではありませんが、いつか誰かが試してみる必要があります。 また、Thunderbolt ドックには素晴らしい機能がたくさんありますが、特に eGPU がカーネルをクラッシュさせずにラップトップのスリープ モードを動作させるなどの場合、ソフトウェア面では当たり外れが多いです。 それがまだ明らかになっていないとしても、私はインテルがそれをまとめてくれるのを心配して待っています。

私は「マックス」と言い続けています。 それらは何ですか？ つまり、USB-C の回転に応じて高速信号のスワッピングを処理するのに役立つ部分です。

高速レーンは、ポートのローテーションによって最も影響を受ける USB-C の部分です。 USB-C ポートが高速レーンを使用している場合、考えられる 2 つの USB-C ローテーションを管理するマルチプレクサ (マルチプレクサ) IC が必要になります。両端のポートの方向と内部の実際の高速レシーバおよびトランスミッタへのケーブルの向きを一致させます。接続されているデバイス。 USB-C を念頭に置いて開発されている場合、これらのマルチプレクサは高速チップの内部にある場合もありますが、多くの場合、別個のチップです。 高速 USB-C サポートをまだ備えていないデバイスに追加したいと考えていますか? マルチプレクサは、高速通信を機能させるための中心的な要素になります。

デバイスに高速レーンを備えた USB-C ソケットがある場合は、マルチプレクサが必要です。キャプティブ ケーブルとプラグが装備されたデバイスにはマルチプレクサは必要ありません。 一般に、ケーブルを使用して USB-C ソケットを備えた 2 つの高速デバイスを接続する場合、両方のデバイスにマルチプレクサが必要です。ケーブルの回転の管理は各デバイスの責任です。 両側で、マルチプレクサ (またはマルチプレクサが接続されている PD コントローラ) は CC ピンの向きを監視し、それに応じて動作します。 ポートから何を求めるかに応じて、さまざまな目的に対応するこれらのマルチプレクサも多数あります。

Type-C ポートに USB 3.0 のみを実装している安価なラップトップには、USB3 向けのマルチプレクサが搭載されています。DisplayPort をサポートしている場合は、それらの信号をミックスするための追加の入力を備えたマルチプレクサが搭載されています。 Thunderbolt では、マルチプレクサは Thunderbolt チップに組み込まれます。 Thunderbolt にアクセスできない、またはそれを必要としない USB-C を使用して開発しているハッカーのために、TI と VLI はあらゆる目的に適した優れたマルチプレクサを多数提供しています。 たとえば、私は最近 USB-C 経由で DisplayPort を使って遊んでいますが、VL170 (TI HD3SS460 の 1:1 クローンと思われる) は、DisplayPort + USB3 を組み合わせた用途に最適なチップのように見えます。

HD3SS460 などの DisplayPort 対応 USB-C マルチプレクサは、それ自体 CC ピンの管理や回転検出を行いませんが、これは合理的な制限です。DisplayPort に対してかなりアプリケーション固有の PD 通信を行う必要があり、これはすぐにマルチプレクサでできることを超えてしまいます。あなた。 PD通信が不要なUSB3で満足ですか？ VL161 は、極性入力を備えた USB3 多重化用のシンプルなチップで、極性検出を自分で行うことを想定しています。

極性検出もしたくない場合、USB3 のニーズにはアナログの 5V 専用 PD で十分ですか? VL160 のようなものを使用してください。シンクおよびソースのアナログ PD を実行し、電力と高速レーン回転をすべて 1 つで処理します。 これは、「USB-C に USB3 が必要で、すべてを管理してもらいたい」という本当の IC です。 たとえば、VL160 は、最近のオープンソース HDMI キャプチャ カードが USB-C ポートに使用しているものです。 ただし、公平を期すために、VL160 だけを取り上げる必要はありません。そのような IC は数十あります。 「何でもできる USB-C 用 USB3 マルチプレクサ」は、おそらく最も人気のある種類の USB-C 関連 IC です。

放棄された USB-C オルトモードがいくつかあります。 私が涙を流さない最初の機能は、HDMI オルトモードです。 HDMI コネクタ ピンを USB-C コネクタ ピンに配置するだけです。 HDMI over USB-C が提供され、短期間スマートフォンで使用されたようです。 ただし、HDMI-DP 変換は一般にコストがかかるのに対し、HDMI に簡単に変換できる DisplayPort オルトモードと競合する必要があり、HDMI には 4 つの差動ペアが必要なため USB 3.0 と組み合わせることができず、HDMI ライセンスの重荷が HDMI を駆動しているようです。アルトモードで地面に。 HDMI をさらに追加することによって私たちの世界が改善されるとは信じていないため、HDMI はそのままにしておくべきだと心から信じています。

ただし、もう 1 つは実際には興味深いもので、VirtualLink と呼ばれます。 大手テクノロジー企業のグループは、VR 向け USB-C の機能を検討しています。結局のところ、VR ヘッドセットですべてを 1 本のケーブルだけで行えるのは素晴らしいことです。 ただし、VR ゴーグルには、高解像度、高フレームレートのデュアル ディスプレイ対応ビデオ インターフェイスと、補助カメラとセンサー用の高速データ接続が必要であり、通常の「デュアル レーン DisplayPort + USB3」の組み合わせではそのような機能を提供できませんでした。当時。 だったらどうしようか？

VirtualLink グループによると、それは簡単で、USB-C コネクタ上の 2 つの重複した USB2 ペアを削除し、USB3 接続に 4 つのピンを使用するだけです。 半年前の短い記事で紹介した USB2 から USB3 へのコンバータ チップを覚えていますか? はい、本来の目的は VirtualLink でした。 もちろん、この種の配置には、2 つの追加のシールド ペアを備えたより高価なカスタム ケーブルが必要です。また、PC が最大 27 W の電力を供給する必要があるため、非対応の USB-C ポートでは珍しい 9 ボルト出力が必要になります。壁コンセントの充電器やパワーバンク。 USB3 から USB2 を省略した逸脱は、一部の人を動揺させました。 ただし、VR の目的では、VirtualLink が非常に役立つように見えました。

一部の GPU は VirtualLink サポートを搭載して出荷されましたが、最終的には十分ではありませんでした。また、USB-C ポートが不足していることが多いことで知られるラップトップでは問題ありませんでした。 これにより、この取り決めの中心人物である Valve は VirtualLink と Valve Index の統合を追加することを断念し、そこから下り坂になりました。 残念なことに、VirtualLink は実際には普及しませんでした。 これは楽しいオルトモードだったでしょう – 一本のケーブルは VR ユーザーにとって素晴らしいものだっただろうし、USB-C 経由で利用できる電圧を上げる必要があるため、PD 対応の 5V を超えるポートも提供されていたでしょう。 – 現在、ラップトップやほとんどの PC がこれを提供しません。 はい、注意してください。デスクトップまたはラップトップ コンピューターに USB-C ポートがある場合、確かに 5 V が供給されますが、それより高い電圧は得られません。

ただし、明るい面も見てみましょう。 USB-C ポートを備えた GPU をお持ちの場合は、USB3 と DisplayPort の両方をサポートします。

USB-C の優れた点 – ベンダーやハッカーは必要に応じて独自の altmode を完全に定義できますが、アダプターは半独自のものになりますが、本質的には USB-C ポートのままで、充電とデータ用に機能します。移行。 イーサネット altmode またはデュアルポート SATA が必要ですか? やれ。 ドッキング コネクタや充電コネクタがすべて異なり、稀に見つけることができたとしても 1 つあたり最大 10 ドルかかる可能性があった、デバイス用の非常にわかりにくいコネクタを調達しなければならなかった時代は終わりました。

すべての USB-C ポートがこれらの機能をすべて実装する必要があるわけではありません。多くは実装していません。 しかし、それらの多くは実際に使用しており、平均的な USB-C ポートからは日を追うごとに利用できる量が増えています。 この統一と標準化は長期的には効果があり、逸脱は時々発生しますが、製造業者はそれらについてより賢く対処することを学ぶでしょう。