今更ながらUSB規格を考えよう。仕様表とかいろいろ。

USB規格といえば、1996年の登場以来、パソコン、携帯、スマホ、果ては家電製品にまで使われるようになった、汎用インターフェースである。元々は、パラレルバスと、シリアルバスを置き換える目的でPC用に開発されたものだが、今ではUSB PDによって電源が、さらにMHL、HDMI、DPなどの規格で映像端子とも置き換わる見込みである。

いつしか、無くてはならない人気者に躍り出た。しかし、考えて見るとUSBほど身近な割に、詳しく知らない規格はないかもしれない。情報は沢山あるのだ。しかし、たいていの場合詳しく知らない。

まず、USBの基本である。

<USBデバイスの接続台数>

USBの最大接続台数は、1つのホストコントローラー辺り、128デバイスである。ただし、最初の1つ目がホストルートに割り当てられるため、一つ減って127デバイスとなる。
なぜ、128なのかというと、アドレステーブルの割り当てが7bit(2の7乗)だからである。

また、USB汎用ハブからハブに分岐した場合の階層は、最大で5階層までしかサポートしない。
いくら127デバイスの範囲でも、ホストコントローラーにぶら下がるルート階層(見えない基幹階層)を加えて最大6階層(0~5階層)までが認識出来る数になるわけだ。

要は、パソコンのUSBポートをハブ1で分岐し、
そのハブ1にさらにハブ2を繋ぎ、
そのしたにハブ3を、
その下にハブ4を
そしてハブ5までは繋げることが出来る。その下にデバイスを繋いでも認識するだろう。

しかし、ハブ5の下にハブ6を繋いでそこに、デバイスを繋ぐと認識しなくなる。
まあ、厳密には、することもあるかもしれないが正常に動かなくなる恐れがある。

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最近のPCだと、USBホストコントローラは2つ、3つ搭載されているケースもあるので、それぞれのポートの振り先が判るなら、200デバイス以上の接続も出来るかもしれない。

まあ、ネタ以外で、上限まで常時繋いで使っている人は、流石に私も見たことがない。これは、速度がそんなに維持できないことと、後述するがバスパワーやセルフバスパワーを考えると家庭だとたぶん電源が足りなくなること。タコ足より酷いケーブルの数と、物理的なデバイスの設置場所確保に苦しむからであろう。

即ち、大抵の場合は127デバイスという数は、殆ど無限大に近い接続が出来るとみて良い。


<転送モードは4モード>

転送モードは4モードある。これは以下の表を参照して欲しい。

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ちなみにタイトルの書体は、 AR勘亭流Hフォントである。


<USBの速度規格と全体仕様概要>

インターフェースのリビジョン(バージョン)仕様は結構世間にあったのだが、いろいろ調べていくと、仕様の変動が大きいことなどもあり、ちょくちょくどこのサイトも間違いを内包している傾向があった。特に、3.0系からの変化とUSB-BC/PDの仕様による影響は大きい。また、これを作っていて思ったのは、ケーブルの種類が多いことだろう。

USBケーブルは1.1準拠を流用可能(だけど保証しているわけでもない)、2.0と、3.0からでは仕様が異なる。信号線が増えているからだ。そして、3.1と3.2でも仕様が異なる。3.2ではType-Cケーブルでしか20Gbpsを達する事が出来ないのだ。

これは、Type-Cが上下逆さまでも対称の状態を維持するため、上下の両方に信号線を用意しているからである。
要は、USB3.0/3.1のSSケーブル(Type-AやType-B)で使う信号線がType-Cには上下に2つ備わっているわけだ。
その両方の信号線を使うから、20Gbpsのデータ転送が出来る。逆に言えば、Type-Aではこの速度は達成できない。
とまあ、ケーブルの互換性は本当に複雑である。

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電源供給もまた難しい。
上記にはPDの仕様まで加えているが、USBの電源供給とUSB-PDの電源供給は別物である。充電などに使う電源(PD)は、USB-PD対応のポートのみで使えるのであって、どのUSBポートでも高い電流や電圧を保証するものではない。

では、USBのポートに割り当て可能な最大電力は標準でどれだけかというと、

1.1まででは150mAで5V
2.0まででは500mAで5V
3.0まででは900mAで5V
3.1以上は1000mA(1A)で5Vである。

ただし、バスパワー(USBハブにAC/DC電源など外部補助電源からの電気の供給がないポート)の場合は、100mAで5V以下という条件が電力供給の基本要件として、それ以上の電力供給は、ポート全体の余裕を見て適宜供給される。(即ち、外部電源を持たないUSBハブは100mA以上の電力供給は担保していないということである。)


尚、USB-BCまたはPDを使うスマートフォンやPCなどのデバイスは、ケーブルもその電圧電源の要件を満たしていないと、給電性能を発揮しなかったり、粗悪な品だと、発火事故などに繋がることがあるので気をつけなければいけない。


<同じケーブル形状なのにType-Cケーブルと端子は複雑>

最近Type-Cケーブルで充電時間が変化してというのは、USBの要件、PDの要件がいくつもフェーズ分離しているからである。

USB-PD非対応のケーブルなら、1A/5Vに対応していれば良い。まあ、元々Type-CはPDの最小準拠で作られており、このクラスケーブルはないはずだが、途上国などではあるかもしれない。

それに対して、PDの最小要件は3A/5Vである(Gen.1)。そして、最高要件は5A/20Vとなる。この5A/20VのType-Cケーブルは値段も高いものも多くあまりない。その間に、電圧フェーズが2種類(9Vと12V)存在する。ケーブルがこのどの電圧に対応するかで、電力供給量の上限が変わるのだ。Type-CやMicroUSBケーブルも電圧対応の差が生じるようになる。

そして、大半のケーブルにはどこまでの電圧に対応するかは書かれていない。

Type-Cは速度面でも、5GbpsのGen.1と10GbpsのGen.2があるのに、これに電源の要件差があり、その組み合わせが入ると、同じ形のケーブルなのにもっと多くのバリエーションになり、安物だと、その違いも使って見ないと分からない。これは問題だという人が出てくるのも当然である。

USBは、Thuderbolt3や、映像信号の転送にまで使われるようになった。

特にリバーシブルケーブルのType-C端子は、今後HDMIや、DVI、Display Portも飲み込む勢いである。私としては、HDMIやDPは残した方が、絶対に消費者は混同しないだろうと思うが、メーカー側は部品点数を減らしたいのだろう。

この先もUSBは他の規格を飲み込みながら混沌とした成長を続けていきそうだ。



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