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@uyiromo(Yu OMORI)

USB Type-C 関連の規格メモ Type-C/C-to-Legacy Adapter/USB PD/DP Alt Mode/USB4/Thundebolt 4/Thunderbolt 3

Last updated at Posted at 2022-07-19

Type-C 周辺ややこしすぎる

  • 端子に対して機能が多すぎる
    • どれが Required で、どれが Optional なのかも分かりづらい
    • ついでにどの機能に対して、どのケーブルが必要なのか分かりづらい
  • 規格を読んでみたので、そのメモ
    • 割りと面白かった
    • 読み間違いや勘違いが含まれる可能性アリ
  • 参考資料
    • USB 2.0: Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 (Apr, 27, 2000)
    • USB 3.0: Universal Serial Bus 3.0 Specification Revision 1.0 (Nov. 12, 2008)
    • USB 3.1: Universal Serial Bus 3.1 Specification Revision 1.0 (Jul. 26, 2013)
    • USB 3.2: Universal Serial Bus 3.2 Specification Revision 1.1 (Jun. 2022)
    • USB4: Universal Serial Bus 4 (USB4TM) Specification
    • Power Delivery 1.4: Universal Serial Bus Power Delivery Specification 3.1 (Apr. 2022)
    • Thunderbolt 3: Thunderbolt 3 Overview Brief (FINAL)
    • Thunderbolt 3: Thunderbolt 3 Technology Brief (FINAL)
    • Thunderbolt 4: Intel Thunderbolt 4 Announcement Press Deck (Jul. 8, 2020)

Type-C

  • Legends
    • ──: undefined
    • ◯: Required
    • △: Optional

Receptacle & Plug

  • 正方向では同じ番号のピン同士が接続される

    • Power: GND x4, VBUS x4, CC x1
    • USB 2.0: D-/D+
    • USB 3.x single-lane: TX-/TX+, RX-/RX+
    • USB 3.x dual-lane: TX1-/TX1+, RX1-/RX1+, TX2-/TX2+, RX2-/RX2+
    • Auxiliary: VCONN, SBU

  • Receptacle
    receptable.png

  • Plug
    cable.png

    • CC が片方しか無いのは、接続方向を識別するため
    • データ通信が USB 2.0 のみなら、TX/RX 等は未接続で良い

Source, Sink, DFP, UFP

  • DFP: Downstream Facing Port
  • UFP: Upstream Facing Port
 +----------+                           +--------+
 |          |                           |        |
 |  Source  |[DFP] =============== [UFP]|  Sink  |
 |          |                           |        |
 +----------+                           +--------+

USB Type-C Host

USB Version Max. Data Rate [Gbps]
(per lane)		 Max. Data Rate [Gbps]
(per cable)		 Data Lane VBUS [mA]
(unconfigured)		 VBUS [mA]
(non-PD max)		 USB Power Delivery
USB 2.0 0.480 0.480 D+/D- 100 500 △
USB 3.0
USB 3.1 Gen1
USB 3.2 Gen1		 5 5 TX+/TX-/RX+/RX- 150 900 △
USB 3.1 Gen2
USB 3.2 Gen2		 10 10 TX+/TX-/RX+/RX- 150 900 △
USB 3.2 Gen1x2 5 10 TX1+/TX1-/RX1+/RX1-
TX2+/TX2-/RX2+/RX2-		 250 1,500 △
USB 3.2 Gen2x2 10 20 TX1+/TX1-/RX1+/RX1-
TX2+/TX2-/RX2+/RX2-		 250 1,500 △
USB4 Gen2x2 10 20 TX1+/TX1-/RX1+/RX1-
TX2+/TX2-/RX2+/RX2-		 250
1,500
3,000		 ── ◯
USB4 Gen3x2 20 40 TX1+/TX1-/RX1+/RX1-
TX2+/TX2-/RX2+/RX2-		 250
1,500
3,000		 ── ◯
  • x2 は TX/RX のペアを二つ用いるので、Standard-A/Standard-B/Micro-B では動作しない
  • Mini-B はそもそも TX/RX のペアを持たないので USB 2.0 でしか動作しない

USB Bus Power

  • 電圧は 5V 固定
  • ポートが configure されるまで、供給電流は unit load 以下に抑えなければならない
    • 上表の VBUS (unconfigured)
  • USB 3.1 の給電能力が 1,000 mA と解説してるサイトがあったけどよく分からない

Type-C Current

  • Type-C Sink は、従来の USB Bus Power よりも多くの電流をデフォルトで引き出すことができる
    • 電圧は 5V
  • Source-side CC の Pull-up Resistor で判断して要求する
    • Type-C to Legacy Cable/Adapter では、Type-C Sink が Default USB Power 以上を引き出せないように 56 kΩ で Pull-Up されている必要がある
    • この時、IR Drop のため 56 kΩ ± 5 % を使わなければならない
Source Capability CC Pull-up
Default USB Power
900 mA (single-lane), 1,500 mA (dual-lane)		 56 kΩ ± 20 %
1.5 A 22 kΩ ± 5 %
3.0 A 10 kΩ ± 5 %

USB Type-C to Type-C Cable

USB Version Max Data Rate [Gbps] Max. Cable Length [m] Max. Current [A] USB Power Delivery eMarker
USB 2.0 0.480 4 3 SPR △
USB 2.0 0.480 4 5 SPR/EPR ◯
USB 3.2 Gen1
USB4 Gen2		 10 2 3 SPR ◯
USB 3.2 Gen1
USB4 Gen2		 10 2 5 SPR/EPR ◯
USB 3.2 Gen2
USB4 Gen2		 20 1 3 SPR ◯
USB 3.2 Gen2
USB4 Gen2		 20 1 5 SPR/EPR ◯
USB4 Gen3 40 0.8 3 SPR ◯
USB4 Gen3 40 0.8 5 SPR/EPR ◯

USB Type-C to Legacy Cable

USB Revision Source Plug Sink Plug Max. Data Rate [Gbps] Max. Current [A] Max. Length [m] Rp/Rd on CC
USB 2.0 USB 2.0 Standard-A USB 2.0 Type-C 0.480 3 4 56 kΩ ± 5 %
USB 3.1 Gen2 USB 3.1 Standard-A Full-Featured Type-C 10 3 1 56 kΩ ± 5 %
USB 2.0 USB 2.0 Type-C USB 2.0 Standard-B 0.480 3 4 5.1 kΩ ± 20 %
USB 3.1 Gen2 Full-Featured Type-C USB 3.1 Standard-B 10 3 1 5.1 kΩ ± 20 %
USB 2.0 USB 2.0 Type-C USB 2.0 Mini-B 0.480 0.5 4 5.1 kΩ ± 20 %
USB 2.0 USB 2.0 Type-C USB 2.0 Micro-B 0.480 3 2 5.1 kΩ ± 20 %
USB 3.1 Gen2 Full-Featured Type-C USB 3.1 Micro-B 10 3 1 5.1 kΩ ± 20 %
  • Standard-A (Source) - Type-C (Sink) では、Type-C Plug の Source-side CC が 必ず 56 kΩ ± 5 % で Pull-Up されていなければならない
    • Rp は Source の給電能力を示す。Sink は Rp に基づいて Source の給電能力を判断して要求する
    • Standard-A の給電能力は最大で 900 mA (Rp = 56 kΩ ± 5 %)
    • 22 kΩ ± 20 % や 10 kΩ ± 5 % が用いられている場合、Sink が過剰な給電を要求する可能性がある

USB Type-C to Legacy Adapter

USB Revision Source Sink Max. Data Rate [Gbps] Max. Current [A] Max. Length [m] Rp/Rd on CC
USB 2.0 USB 2.0 Micro-B Receptacle USB 2.0 Type-C Plug 0.480 3 0.15 56 kΩ ± 5 %
USB 3.1 Gen1 Full-Featured Type-C Plug USB 3.1 Standard-A Receptacle 5 3 0.15 5.1 kΩ ± 20 %

  • Micro-B (Source) - Type-C (Sink) では、Type-C Plug の Source-side CC が 必ず 56 kΩ ± 5 % で Pull-Up されていなければならない

  • Type-C (Source) - Standard-A (Sink) では、Sink-side に直接接続される機器向けに定義されている

    • 例：USB フラッシュメモリ
    • 直接接続以外、例えばさらに USB ケーブルを繋げた場合の動作は保証されない

  • Adapter の許容表

    • ◯: 許容される
    • ✕: 許容されない

Standard-A
Standard-B		 Receptacle
Mini-B
Micro-B
Type-C
Standard-A - - - - ✕
Standard-B - - - - ✕
Plug Mini-B - - - - ✕
Micro-B - - - - ✕
Type-C ◯ ✕ ✕ ◯ -
  • Type-C Receptacle を持つ Adapter は許容されない
  • 許容されないのは、Plug 側が Sink になる場合、Type-C Receptacle の Rp を設定できないから？

USB Power Delivery

  • CC wire を使って Negotiation を行う
    • Standard-A etc. を使う PD 2.0 は、PD 3.1 で Deprecated になっている
    • 5A を引き出すには 5A 対応のケーブルが必要
  • USB PD では、
    • UFP は次の機能を 持たなければならない
      • Sink Power である（電源を供給される）
      • SOP Packets で通信できる
    • UFP は次の機能を 持つかもしれない
      • Source Power である（電源を供給できる）
      • USB 通信ができる
      • SOP* Pakckets で通信できる
    • DFP は次の機能を 持たなければならない
      • Source Power である（電源を供給できる）
      • SOP Packets で通信できる
    • DFP は次の機能を 持つかもしれない
      • Sink Power である（電源を供給される）
      • USB 通信ができる
      • SOP* Pakckets で通信できる
    • Source Device は、以下の内の一つ、もしくは複数である
      • AC などの外部電源
      • バッテリー
      • Bus-Powered Hub などの、電源供給ポート
    • Sink Device は、以下の内の一つ、もしくは複数である
      • バッテリー
      • 自身の動作のために電源供給を受ける
      • Bus-Powered Hub など、他のデバイスの動作のために電源供給を受ける
    • VCONN のソースは
      • DFP/UFP のいずれか、もしくは、Source/Sink のいずれか（Source として振る舞う方が VCONN ソースになる）
      • ケーブル動作のために電源を供給する
      • ケーブルとコミュニケーションできる唯一のポートである
  • USB PD Negotiation
    1. Source-Only もしくは接続された DRP ポートが Source となる
      1. Source は VBUS に vSafe (5V) をかける
    2. Source は SOP' SOP'' によってケーブルの能力を検出 できる
      1. Type-C ケーブルはデフォルトで 3A がサポートされるが、5A/ERP ケーブルの検出に使える
    3. Source は Source_Capabilities を送信する
      1. この時、Voltage を一つ選び、それに対する Max Current を通知する
      2. Source は GoodCRC or Hard Reset の受信により、PD 通信が可能であることを確認する
      3. Source は Sink からの Request を受信する
        1. Valid ならば、Accept, PS_RDY を返答する（要求された電流・電圧での PD 充電が可能である）
          1. この時点で、USB PD Explicit Contract が成立する
        2. Capability Mismatch なら、Voltage を変えて Source_Capabilities を送り直す

Source/Sink の責任

  • Source は、Cable Capability を超える出力をしてはいけない
    • 3A 超の出力に対応する場合、SOP' によって Cable Capability を検出し、それを超えないようにしなければならない
  • Cable Detection によって、以下の要件を満たさなければならない
    • Source は、3A 超、もしくは 20V 超の Source_Capabilities を送信する前に、Cable Detection を行わなければならない
    • Sink は、Source_Capabilities によって提供された出力から選択しなければならない
      • この時、Source は Cable Capability を既に実行していることを前提としてよい
      • つまり、Source_Capabilities によって提供される電圧・電流は Cable Capability を超えない
    • DRP Sink は、Get_Source_Cap に対して、Cable Capability を考慮せず、自身の持つ全ての Source Capability を返答しなければならない
  • 「5A 給電が可能な Source が、SOP' に失敗した時」 の動作が仕様書のどこに書いてあるのか分かりませんでした
    • 3A/20V にフォールバックする？

Fixed Voltage Charging Models

  • Negotiation で電圧を固定し、許容される範囲で電流を調整する
    • SPR (Standard Power Range): 20V/5A まで
    • EPR (Extended Power Range): 48V/5A まで
Power Range Available Current [A] Voltage [V] PDP Range [W] Notes
SRP/ERP 3 5
9
15
20		 15 - 60
SRP 5 20 60 - 100 5A Cable is Required
ERP 5 20 60 - 100 ERP Cable is Required
ERP 5 28
36
48		 100 - 240 ERP Cable is Required

PPS (Programmable Power Supply) Charging Models

  • SPR Mode Only
  • 電圧、電流を指定範囲で細かく調整しながら給電する
Available Current [A] Prog Voltage Range [V] Notes
3 5V 3.3 - 5.9
3 9V 3.3 - 11
3 15V 3.3 - 16
3 20V 3.3 - 21
5 20V 3.3 - 21 5A Cable is Required

AVS (Adjustable Voltage Supply) Charging Models

  • EPR Mode Only
  • Available Current = round down (PDP/Max Voltage) to the nearest 50 mA
PDP Range [W] Voltage Range [V]
100 - 140 15 - 28
140 - 180 15 - 36
180 - 240 15 - 48

Power Rules

  • 抜粋
    • Chapter 10.2 Source Power Rules
    • Chapter 10.3 Sink Power Rules
  • Source は、
    • Fixed Voltage に対する最大電流は、PDP [W]/Voltage [V] を、10mA 単位で切り上げるか切り捨てるかでなければならない
    • Optional SPR Voltage をサポートしてもよい が、20 V を超えてはならない
      • EPR で実装してはならない
    • PDP に対して、下表の出力はサポートしなければならない
  • Sink は、
    • 想定以上の PDP を持つ Source では動作しなければならない
    • 0.5 W ≦ Source PDP < PDP の Source に対しては、動作するか Capability Mismatch で返答しなければならない
    • Optimal PDP に最適化された Sink は、同等以上の規格出力を持つ Source でも同様に動作しなければならない
PDP [W] Current 5V [A] Current 9V [A] Current 15V [A] Current 20V [A]
0.5 < PDP ≦ 15 PDP/5 - - -
15 < PDP ≦ 27 3 PDP/9 - -
27 < PDP ≦ 45 3 3 PDP/15 -
45 < PDP ≦ 60 3 3 3 PDP/20
60 < PDP ≦ 100 3 3 3 PDP/20

DP Alternate Mode

  • Power Delivery Protocol の Structured VDM (Vendor-Defined Messages) を用いて handshake を行う
    • よって、CC が必要
    • 加えて、データ送受信用の Full-Featured Type-C ケーブルが必要
  • Display Port
    • MainLane[0-4]+/- の最大4レーンの Differential Pairs を用いてデータを送受信する
    • 解像度/周波数を制限することで、2レーンでの動作も可能
  • DisplayPort Alternate Mode
    • USB 3.2 は最大で TX1+/TX1-/RX1+/RX1-、TX2+/TX2-/RX2+/RX2-、2-lane x2 の Differential Pairs を持つ
    • 片方の Differential Pair を 専有して、2-lane DisplayPort の信号を流す
      • SBU1/2 = AUX+/AUX-、CC＝HPD/IRQ
      • DP 1.2: 2x 1080p, or, 1x 4K 30Hz
      • DP 1.4: 1x 4K 60Hz
      • 余った Differential Pair は、single-lane USB 3.2 として利用可能
    • 4-lane DP も利用可能だが、この場合 USB 3.2 は利用できない
    • USB 2.0、Power Delivery は常に併用可能

USB4

  • プロトコル自体ではなく、Protocol Tunneling
    • 複数のプロトコルを Mux して送受信するための規格

Thunderbolt 3 Compatibility

  • USB4 host/device は Thunderbolt 3 をサポートするかもしれない
  • USB4 Hub は Thunderbolt 3 を全ての DFP でサポートしなければならない
  • USB4 Dock は Thunderbolt 3 を全ての DFP と UFP でサポートしなければならない
  • Thunderbolt 3 をサポートするならば、ネゴシエーションで Thunderbolt Alt Mode となる

Power

  • USB 2.0/3.2 のような VBUS Budget は未定義

    • USB4 になる前は、USB 3.2 Power Budget が適用される

  • Configured Port では、USB Power Delivery に基づく

  • Source

    • ポートあたりで最低 7.5 W を供給できなければならない

  • Sink

    • USB PD Contract 成立前は、Source が提供する Advertisement 以上の電流を引き出してはならない
      • Default USB Power: 250 mA
      • Type-C Current: 1.5 A or 3.0 A
    • 最大で 7.5 W しか供給されなくても、最小限の動作はしなければならない
    • USB PD Contract が成立する前に USB4 Data Bus の操作をしてはならない
    • USB4 になった後は、USB PD に応答して従わなければならない

Host

  • Required:
    • USB 2.0
    • USB 3.2
    • USB4 Gen2x2 (20 Gbps)
    • DisplayPort Tunneling (1.4a)
      • at least one DP IN Adapter
    • DisplayPort Alt Mode (ALL DFP)
    • 最初に接続された DisplayPort
  • Optional:
    • USB4 Gen3x2 (40 Gbps)
    • PCIe Controller
    • 2台目以降に接続された DisplayPort

Hub

  • Required:
    • USB 2.0
    • USB 3.2
    • USB4 Gen2x2 (20 Gbps)
    • PCIe Switch
    • DisplayPort Tunneling
      • at least one DP OUT Adapter
    • DisplayPort Alt Mode (ALL DFP)
    • 最初に接続された DisplayPort
  • Optional:
    • USB4 Gen3x2 (40 Gbps)
    • 2台目以降に接続された DisplayPort

Device

  • Required:
    • USB4 Gen2x2 (20 Gbps)
  • Optional:
    • USB 2.0
    • USB 3.2
    • USB4 Gen3x2 (40 Gbps)
    • PCIe
    • DisplayPort Source or Sink

Thunderbolt 3

  • プロトコル自体ではなく、Protocol Tunneling
    • 複数のプロトコルを Mux して送受信するための規格

Power

  • 100W USB PD 充電対応
  • Bus-Devices には最低でも 15W 供給可能

物理レイヤ

  • コネクタ・ケーブルは USB Type-C
  • 物理レイヤは、以下の三種類のいずれかとして動作する
    1. USB 3.1 (up to 10 Gbps)
    2. DisplayPort 1.2a (up to 4x5.4 Gbps, 4K/60Hz)
      1. Optional DP 1.4
    3. Thunderbolt (20 Gbps or 40 Gbps)

USB Only Mode

  • 単純に USB 3.1 Gen2 として動作する
    • 上限 10 Gbps

DisplayPort Only Mode

  • USB Type-C DisplayPort Alternate Mode に同じ
  • 全ての TX/RX を使って 4-lane DisplayPort 1.2a として動作する
    • 4x5.4 Gbps
    • 上限 1x 4K/60Hz/30bpp

DislpayPort and USB Multi-Function Mode

  • USB Type-C DisplayPort Alternate Mode に同じ
  • TX1/RX1 のみを DisplayPort Alternate Mode に割り当てて、残りを USB 3.1 Gen2 として使う
    • DisplayPort 上限：QHD/60Hz/30bpp
    • USB 3.1 Gen2 上限：10 Gbps

Thunderbolt Mode

  • Differential Pairs を使って、Dual-Simplex で通信する
    • ケーブル・デバイスの能力に依存して 20 Gbps or 40 Gbps
    • DisplayPort 1.2a を 2 系統、PCIe Gen3 を 1 系統含む
    • Thunderbolt Mode が使われている限り、最大で 6 デバイスをデイジーチェーン接続できる
  • DisplayPort/PCIe は、以下のルールでルーティングする
    • Downstream, Upstream は、それぞれ 20 Gbps or 40 Gbps の帯域幅を持つ
    1. DisplayPort を優先する
      1. 4K/60Hz/30bpp は 17 Gbps なので、Downstream を使い切ることは無い
    2. DisplayPort のルーティング後、残った帯域で PCIe の通信を行う
    3. ただし、DisplayPort は主に Downstream なので、Upstream は PCIe でほぼ専有することができる
Max. Link Rate [Gbps]
(per Pair)		 Max. Link Rate [Gbps]
(per Cable)		 Display Port 1.2a PCIe Gen3 DisplayPort + PCIe Gen3 [Gbps]
10 20 4-lanes (4x5.4 Gbps) x2 (2x8 Gbps) 37.6
20 40 4-lanes (4x5.4 Gbps)
4-lanes (4x5.4 Gbps)		 x4 (4x8 Gbps) 75.2

Thunderbolt Networking Mode

  • Thunderbolt Mode でデバイスを接続し、IP Networking over Thunderbolt 3 の通信を構築できる
    • デイジーチェーン可
    • Thunderbolt 3 は 10 GbE の帯域幅を十分に満たす

Cable

Cable Type Thunderbolt Link Rate [Gbps] Max. Length [m] USB Compatibility USB PD
Passive (Copper) 40 0.8 USB 3.1 Gen2 Available
Passive (Copper) 20 2.0 USB 3.1 Gen2 Available
Active (Copper) 40 2.0 USB 2.0 Available
Active (Optical) 40 50 USB 2.0 NO available

Thunderbolt 4

  • 通信速度は Thunderbolt 3 の 40 Gbps と同じものしかない
    • DisplayPort: 2x 4K/60Hz/30bpp or 8K/60Hz/30bpp
    • PCIe Gen3x4 = 32 Gbps
  • 100W 以下の電源供給を要求する Notebook は、少なくとも一つの PD Supported な Port を持たなければならない
  • Thunderbolt 4 機器は、最大で 4x Thunderbolt 4 ポートを持てる
    • 1-UFP から、3xDFP を引き出せる
    • Not DaisyChain
  • Universal Cable
    • 0.8m 以下なら、Thunderbolt 4 のフルスペックを引き出せる Passive Cable
    • 2m の Active Cable は、Thunderbolt 4 でもあり、通常の Type-C Cable として利用できる

[Host] USB4 / Thunderbolt 4 / Thunderbolt 3

  • Legends
    • ──: Undefined
    • ◯: Required
    • △: Optional
USB4 Thunderbolt 4 Thunderbolt 3
20 Gbps ◯
USB4 Gen2x2		 ──
ALL Thunderbolt 4 cables
are compatible with 40 Gbps 		◯
Table 1.
40 Gbps △
USB4 Gen3x2		 ◯ ◯
Table 1.
USB 3.2 Gen1
5 Gbps		 ◯ ◯ ◯
USB 3.2 Gen2
10 Gbps		 ◯ ◯ ◯
USB 3.2 Gen2x2
20 Gbps		 △ ── ──
DisplayPort Tunneling DP 1.4a
≧ 1 display(s) ANY resolution		 DP 1.4a
≧ 2 display(s) 4K/60Hz/30bpp
OR
≧ 1 display(s) 8K/60Hz/30bpp		 DP 1.2a
≧ 1 display(s) 4K/60Hz/30bpp
PCIe Source Tunneling △ PCIe Gen3(?)x4
32 Gbps		 PCIe Gen3x2
16 Gbps
DisplayPort Alt Mode 2.0 2.0 1.2a
Power Delivery (Charge/Bus) 100 W 100 W 100 W
Min. Bus Power 7.5 W 15 W 15 W
Max. Cable Length 0.8m 0.8m (Passive)
2.0m (Active)		 2.0m (Passive)
50m (Active)
Table 1.
  • Table 1. Thunderbolt 3 Cables
    • Cable によっては 20 Gbps で動作するため、Tunneling の最低要件が Thunderbolt 4 の半分になっている？
Active/Passive Copper/Optical Link Rate [Gbps] Max. Length [m] USB Version Compatibility USB PD
Passive Copper 40 0.8 USB 3.1 Gen2 Yes
Passive Copper 20 2.0 USB 3.1 Gen2 Yes
Active Copper 40 2.0 USB 2.0 Yes
Active Optical 40 50 USB 2.0 N/A
1
1
0

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