USB について

私たちのデバイスには少なくとも 5 年間 USB-C ポートが搭載されています。 これは、多くのメーカーやハッカーが支持できる標準です。 当初、私たちが実際にそこで遭遇するものについては多くの混乱があり、メーカーによって引き起こされた異常により、一部の人々は気が遠くなりました。 ただし、USB-C は定着しています。USB-C が実際にどのように使用されているのか、パワー ユーザーとして USB-C から何が期待できるのか、そしてユーザーとして USB-C から何が得られるのかを説明したいと思います。趣味人。

最新のデバイスには、一連の共通のニーズがあります。電源入力または電源出力、場合によっては両方が必要で、通常は USB2 接続が必要ですが、多くの場合、ディスプレイ出力/入力や USB 3 などの高速接続が必要です。USB-C は、これらすべてを処理できるようにすることを目的としたインターフェイスです。 前述したことはすべてオプションであり、これは祝福でもあり呪いでもありますが、デバイスの外観に基づいてデバイスに何を期待できるかをすぐに区別することはできます。 疑問がある場合は、確認方法を説明したいと思います。

USB-C が回転可能であることは誰もが知っています。これにより、どの向きでもケーブルを挿入できるようになります。これは USB-B に比べて大幅な改善です。 これがどのように機能するか見てみましょう。 これを可能にするために、CC (構成チャネル) 接続があります。これは、Type-C コネクタの 2 つの CC ピンの 1 つに接続されるすべての USB-C ケーブルの単線ラインであり、USB-C の接続には不可欠です。仕事。 「ポートから USB 2.0 と 5 V を取り出す」などの単純な USB-C の使用例の場合は、簡単なレシピに従う – 各 CC ピンに 5.1 kΩ プルダウンを接続すると、適切なすべてのデバイスで動作する USB-C ポートが得られます。そこにあるデバイス。

もちろん、USB-C では 5 V および USB 2.0 を超えるものもサポートされています。 USB-C ポートからさまざまな電圧を取得できるため、ラップトップなどの充電に非常に便利です。 USB 3、DisplayPort、および Thunderbolt を入手できます。 ほとんどのラップトップでは、USB-C を最大限に活用してドッキング ステーションに接続でき、高解像度のディスプレイ、多数の USB ポート、同じケーブルでの充電が可能になります。 さて、それはどのように機能するのでしょうか?

5 V を超える電圧 (USB-PD) や USB 2 および 3 を超える高速接続 (代替モードの「altmode」) などのユースケースでは、同じ CC 接続を通じてそれらを呼び出す必要があります。 双方向通信用の単線があり、CC ワイヤが半二重チャネルになります。 これは、固定レート 300 kbps のイーサネットのようなプロトコルです。 このプロトコルを通信して一連の定義された機能を実装する IC は数多くあり、かなりの数の IC とマイクロコントローラー周辺機器が、プロトコル上で必要なことを何でも伝えるのに役立ちます。

USB-C ポートには 4 つの高速差動ペア用のピンがあり、合計 8 つのピンがあります。 多くのシンプルな USB-C デバイスは接続されていませんが、これらのポートには大量の電力が供給されています。 まず、ラップトップにそのようなポートがある場合、通常は USB 3.1 または 3.2 を入手できます。 通常、USB3 ポートは 4 つの差動ペアのうち 2 つを占有しますが、一部のデバイスは 2 x 2 USB3 リンクをサポートし、ペアの数と転送速度が 2 倍になります。 USB-C ポートから DisplayPort を利用できることも増えています。2 レーンまたは 4 レーンを使用すると、かなり高解像度のディスプレイを駆動できます。

さらに、USB-C コネクタの高速ペアを使用する半分独自のテクノロジーである Thunderbolt もあります。 USB3、DisplayPort、さらには PCIe を内部でトンネリングできますが、これら 3 つのどれでもないです。 Thunderbolt を使用すると、より多くの DisplayPort オプション、より優れたより高速なポート、さらには外部 GPU さえも備えた、ドッキング ステーションをさらに強化できます。 これらすべての中で最も希少で最も高価なオプションであると推測されるかもしれません。

これらの高速および高電力機能を考慮すると、すべてを 1 つのコネクタに統合することには大きな利点があります。 USB-C ラップトップ充電器は、必要なときに携帯電話を充電することもできます。また、積極的な標準化のおかげで、充電に関わる独自の要素はほとんどなくなりました。

USB-C Nintendo Switch ドックをお持ちの場合、機械的に接続できると仮定すると、理論上はラップトップのドックとしても機能し、ラップトップ ドックは Steam デッキで動作します。 一般に、ドッキング ステーションは合理的なものになってきています。1 本のケーブルですべてのことに使用でき、世にあるほとんどの USB-C デバイスで動作します。それだけです。

年々、USB-C でできないことは少なくなっています。 昨年同社は、USB-C ポートの能力が 100 W、20 V @ 5 A に制限される SPR とは対照的に、USB-C ポートの能力を 48 V @ 5 A で最大 240 W まで高める EPR を発表しました。これにより、ラップトップでのバレル プラグ アダプタの必要性が基本的になくなります。以前は 100 W の USB-C が障壁でした。もはや、さまざまなバレル ジャック アダプタを備えたすべての「ユニバーサル」電源は必要ありません。 次に、次期規格である USB4 があります。これは Thunderbolt に似ていますが、完全ではありませんが、優れていますが、劣っているでしょうか? いずれにせよ、コンピューターでの USB4 サポートはさらに増えるでしょう。そして、願わくば、最も安価なものであっても、すべてのラップトップに高速インターフェイスが搭載される日が来ることを願っています。

全体として、USB-C には明るい未来があり、多くの点でかなりうまく設計されています。ポート、ケーブル、規格の数十年間で私たちが犯してきた間違いから学び、今後の追加に十分な余裕を残しています。

もちろん、USB-C は間違いを犯しやすいまったく新しい分野も生み出しました。

USB-C の怖い話はどこにでもあります。基本的に USB-C を使用したことがある人なら誰でも、USB-C で一度失敗したとき、あるいはおそらく何度も失敗したときの話をするでしょう。 USB-C には欠点よりも利点の方がたくさんありますが、USB-C が私たちを失敗させた方法と今でも失敗している方法を覚えておくことが重要だと強く信じています。そうすれば、私たちはこれらの方法から学び、それらを回避する方法を見つけることができます。 。

USB-C 規格のすべての部分が同様によく考えられているわけではありません。 最初に思い浮かぶのは、ケーブルとポートの状況です。 USB-C ポートを見ても、それが何をサポートしているのか一目ではわかりません。ケーブルについても同様です。 現状では、状況はかなり悲惨です。USB-C を使用するには、まだ適切な説明を見つけていない人にとって、多くの推測が必要になる場合があります。 ケーブルを区別する方法にはガイドラインがあり、その過程でいくつかのトリックを紹介します。 そうは言っても、最初から魅力的な視覚的マーキングスキームを導入するべきでした。

USB-C 標準は、多数のステート マシンや特性が関係するため、実装がやや複雑です。 USB-C 仕様は、PDF ドキュメントが非常に長いことで知られています。コネクタとケーブルのドキュメントは 350 ページ、USB-PD ドキュメントは 600 ページ以上あります。 多くのメーカーは長年にわたって誠意を持って試みてきましたが、それでも目立つ奇妙なエッジケースを備えたデバイスを作成しました。 特定の充電器でのみ動作するラップトップ、またはその逆、特定のラップトップまたは特定の充電器との組み合わせでのみ動作するドック、一方向でのみ動作するケーブル、またはケーブルの方向に応じて異なる動作をするデバイスなど、謎には事欠きません。 。

それに加えて、USB-C を悪用する方法は無限にあり、特定のメーカーは頑張っています。 他の人がそれを悪用するのは USB-C 標準のせいではありません。複雑な標準を定義する場合、限られた量の保護しか実装できません。 しかし、私たちが注意すべきまったく新しいカテゴリーの問題がまだ残っています。 USB-C の罪の中には、許すのが難しく、重点を置く価値のあるものもあれば、それほど明白ではないものもあります。その過程で、その多くを取り上げていきます。

このことを念頭に置くことが重要です。USB-C は時間が経つにつれて一貫性がさらに高まります。 必要に応じて強制的に。 同様に、ハッキングされやすくなるだけです。 なぜなら、時間の経過とともに、ハードウェアや知識の部分など、より多くの構成要素が収集されるからです。 それに加えて、私たちの家庭における USB-C エコシステムは日々成長するばかりです。 現在何かを設計している場合は、ユースケースに USB-C を強く検討する必要があります。

ここでは、デバイスが USB 2.0 データで 5 V、最大 3 A が可能で、両方のフルローテーションをサポートできるようにするために USB-C ポートを追加するために必要なことをまとめてみましょう。

それでおしまい。 MicroUSB と比較すると、追加の抵抗は 2 つだけであり、ピンのはんだ付けが簡単です。 回路図に示されているように、抵抗器を具体的に配線します。 Raspberry Pi 4 のように CC ピンを接続したり、抵抗を省略したりしないでください。 抵抗を省略すると、上流の Type-C ポートはデバイスに 5 V を供給しなくなります。多くの安価なデバイスでは抵抗が省略されています。 USB-A - USB-C ケーブルを使用してデバイスに電力を供給しない限り、5.1 kΩ 抵抗がなければ電力は供給されません。 抵抗器の 1 つを省略すると、ポートの 1 回転のみが機能します。一部の安価なデバイスには抵抗器が 1 つしかありません。

いつでも 5 V を受信したいすべての USB-C デバイスには、オンボードまたは USB-C 通信 IC の内部にこれらの抵抗が搭載されています。 単純な「5 V および USB 2.0」の目的の場合は、1% 5.1 kΩ 抵抗を使用するだけで済みます。 そうは言っても、いざというときには、2 つの 10K 抵抗を並列に接続すれば、実際に機能します。 個人的には、5.1 kΩ の抵抗のリールを注文したところですが、とても役に立ちました。 設計者がこれらの抵抗器を追加するのを忘れたポートがある場合は、そのような抵抗器を一般的な種類のコネクタにはんだ付けするのに役立つ FPC シムを注文することもできます。

USB-C コネクタはたくさんありますが、16 ピンのコネクタは人気があります。ピン互換のコネクタがどこでも大量に購入でき、特にはんだ吸い取り線がある場合は手はんだ付けがかなり簡単です。間違いを修正するために。 CC ピンのないコネクタは使用しないようにしてください。プルダウン抵抗を接続できないため、そのようなコネクタを実際の Type-C ポートで動作させることはできず、USB-A から USB でのみ動作します。 -C ケーブル。これは重大な制限です。

もちろん、これまで述べたように、USB-C には 5 V @ 3 A と USB 2.0 以外にも多くの機能があり、他のすべての可能性を実現する方法を説明します。 ただし、示されている式は最も頻繁に使用するものであり、他の式を理解するのにも役立つため、覚えておくことが重要です。 それまでの間、DisplayPort 以外は SBU を使用しないため、SBU ピンを使用して UART などのデバッグ接続を公開できます。 ただし、手はんだ付け可能なフォームファクターで SBU が露出するプラグの破損を見つけるのは難しい場合があります。 また、USB-C ポート ハッカーの大リーグに参入した場合は、実際に標準に準拠した方法でデバッグを実装することもできます。

ハッカーにとって USB-C 規格への準拠は諸刃の剣です。 従わない場合、ラップトップを破壊する可能性があります。あるいは、危険やマイナス面がなくても大きな利益が得られる可能性があります。 一部のシナリオは、実際に危険だからではなく、平均的なユーザーにとって混乱を招く、または最高の機能をもたらさないとみなされるために「非合法化」されます。多くの場合、コンプライアンス違反による最悪の結果は、誰かがインターネット上では些細なことで怒られるかもしれません。

今後の回では、まったくひどいものであり、決して作られるべきではなかったものについて説明します。 また、それが自分にとって利益になる可能性がある場合や、完全に理にかなっている場合、および標準に違反する可能性があるように見えても実際にはすべきではない場合に、標準に穏やかに (または厳しく) 違反する方法も説明します。 これはガイドラインです。使用したいものが USB-C 規格に違反していると聞いた場合、それが特定のアプリケーションにどのような影響を与えるかが非常に重要です。

一緒に USB-C 規格を学び、広め、違反しましょう! また来週。