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» 2018年09月04日 05時00分 公開

ITの教室:【USB】第5回 既存のUSBコネクターの問題を解消する新規格「USB Type-C」とは (1/2)

これまでのUSBコネクターの問題点を解消し、単一の構造のコネクターで全てのUSBホスト/デバイス/ハブを接続することを目的として作られた新しい規格「USB Type-C」について解説する。これまでのUSB規格とどのような点が異なるのか。

[塩田紳二,著]

ITの教室」は、ITに関わる規格や仕組みなどを簡潔に紹介するコーナーです。まずはUSBについて、その概要を解説します。


 前回は、USBの最新規格である「USB 3.2」について解説したが、今回は新しいコネクター規格である「USB Type-C」について解説する。

USB Type-Cとは

 「USB Type-C」は、単一の構造のコネクター(プラグとレセプタクル)で全てのUSBホスト/デバイス/ハブを接続することを目的として作られた、新しいUSBコネクターの規格である。

  USB Type-Cのレセプタクル(左)とプラグ(右)

 これまでのUSBのコネクターには幾つかの問題があった。歴史的な経過から「標準」「マイクロ」「ミニ」といったコネクターの形状、ホスト側とデバイス側で「Aコネクター」「Bコネクター」の区別があり、さらにUSB 2.0用と3.2用というバリエーションがあったため、多種類のプラグ/レセプタクルが使われていた。

 もう一つは、あまり大きな電力を供給することを考えていなかったことだ。そもそもUSB 2.0の頃は、マウスやキーボードやUSBメモリといった簡単な周辺装置への電力供給しか考慮されていなかった。ハードディスクのように大きな電力を使う周辺機器は、外部電源の併用などを想定していたからだ。

 さまざまな使い方がされるようになり、また市場に製品が大量に投入されるにつれて、仕様に合致しない間違ったコネクターの使い方(例えばデバイス側なのにUSB標準Aレセプタクルを持つ)がされるようになったため、混乱も見られるようになった。

 このため、全てを一新して作られたのが「USB Type-Cコネクター」である。USB Type-Cコネクターは、新たな信号線などを加え、将来的な拡張にも耐え得る仕様とし、さらにDisplayPortなど他の仕様の接続にも利用可能な「Alternate Mode(オルタネートモード)」を持つ汎用性の高いものとなっている。

 最大の特徴は、コネクター(プラグとレセプタクル)の機械的な仕様が1つだけしかないことだ。ユーザーは、コネクターの種類などを考える必要がなく、違う種類のケーブルを何本も持つ必要がなくなった。

 また、小型機器を考慮し、アナログオーディオの入出力としても利用できるようになっていたり、電力供給としての用途も考慮されていたりしている。USB Type-Cケーブルは、プラグ内部に仕様などの情報を持つ「eMarker(イーマーカー)」と呼ばれるチップを内蔵している。さらに電子署名を使った認証で、正しい仕様のケーブルのみを利用できるようにする仕組みも持っている。

 もちろん、これまで使われてきたUSBとの互換性も考慮されている。USB Type-Cでは、従来のUSBコネクターを持つデバイス、ホストなどとの接続を行うための「レガシーケーブル」が仕様書で定義されており、仕様上、許されるケーブルの構造とそうでないもの(例えば、不正なプラグの組合せなど)が区別可能だ。

 ここでは、USB Type-Cについて解説を行う。なお、USB Type-Cの仕様はUSB Power Delivery(以下USB-PDと表記する)の仕様と密接に関係しているが、これについては次回解説する予定だ。

USB Type-Cで可能になること

 USB Type-Cは、大規模なサーバマシンやデスクトップコンピュータからスマートフォンやIoTデバイスまで、広範囲なコンピュータで利用可能なコネクターであり、さまざまな機能を利用可能にしている。

単一のコネクタ(プラグ、レセプタクル)で複数の機能に対応 単一のコネクター(プラグ、レセプタクル)で複数の機能に対応

 後述するが、USB Type-Cは、従来のUSBには存在していなかった信号線も追加され、単純なコネクター形状の変更だけにとどまらない。USB Type-Cの仕様書は、USB 3.2の仕様書と同時に配布されており、一連のUSB仕様の一つという位置付けになっている。

USBの各種仕様とUSB Type-C USBの各種仕様とUSB Type-C
※1 USB 2.0のみのホストでは、USB 3.2は必須ではない。 ※2 eMarkerの搭載はフル機能USBケーブルでは必須だが、IDの読み出しには、ホスト側でオプションとなっているUSB-PDを使う。

 注意するのは、USB Type-Cでも利用するUSB-PDは、現時点では、オプションという位置付けであり、USB 3.2ホスト/デバイスであっても、USB-PDを必ずしも実装する必要はない。

 USB Type-Cでも同様で、USB-PDはあくまでもオプションである。しかし、USB-PDを実装するには、USB Type-Cコネクターが必須であり、USB-PDは、現時点ではUSB Type-Cコネクターの上でのみ動作でき、従来のUSB 3.1標準コネクターなどではUSB-PDは利用できない。

 USB Type-Cのプラグとレセプタクルの機械的な構造はそれぞれ1つだけだ。これまでのようにホスト側、デバイス側で形状を変えていない。ホスト/デバイスともに必ずType-Cレセプタクルを装備し、プラグは、ケーブル側のみとなる。ただし、デバイスから直接ケーブルを出すキャプティブケーブル構造(その極端な場合としてUSBメモリのようにUSB Type-Cプラグが機器から直接出ているもの)は仕様上許されている。

 また、プラグは逆さに指すことも可能で、ユーザーは、プラグの上下(裏と表)を区別する必要がない(判定は電気的に行われる)。また、USB Type-Cではケーブルのねじれについても考慮されていて、両端のプラグの向きが同じでも逆でも構わないようになっている。

 USB Type-Cプラグ、レセプタクルともに内部に上下2段、各12本、計24本の接続点(信号)があり、電源やグランド(アース)の配置だけは上下、左右対称の位置にあって、逆指ししても接続が変わらないようになっている。これ以外の信号は逆指しで対応が変化するが、こちらは接続時に判定が行われる。

USB Type-Cの接続点 USB Type-Cの接続点

USB Type-Cの電気的な接続

 プラグとレセプタクルの機械的な構造は1つしかないが、電気的な仕様では、3種類のプラグと2種類のレセプタクル、そして2種類のケーブル(両端のプラグを含める場合には、USB Type-Cケーブルアッセンブリと呼ぶ)がある。USB 3.2に対応したホスト、デバイスの場合に利用するコネクター(以下プラグとレセプタクルをコネクターと総称する)やケーブルは「USBフル機能Type-Cプラグ、レセプタクル」「USBフル機能Type-Cケーブル」などと呼ぶ。

USB Type-Cのプラグ、レセプタクル、ケーブルの電気的仕様 USB Type-Cのプラグ、レセプタクル、ケーブルの電気的仕様

 これに対して、USB 2.0のホスト、デバイスでもUSB Type-Cは利用可能で、そのために、USB 2.0のみに対応したプラグ/レセプタクル/ケーブルが用意されている。これを「USB 2.0 Type-Cプラグ、レセプタクル」「USB 2.0 Type-Cケーブル」などと呼ぶ。このUSB 2.0 Type-Cプラグ/レセプタクル/ケーブルでは、フル機能ケーブルを簡素化したものになっている。

USB 2.0 Type-Cの接続点 USB 2.0 Type-Cの接続点

 もちろん、USB 2.0 Type-Cのホストやデバイスの接続にフル機能ケーブルアッセンブリを使うこともできるし、USBフル機能Type-Cレセプタクルを持つホスト、デバイス(両方とも必然的にUSB 3.2対応となる)の接続にUSB 2.0 Type-Cケーブルを使うこともできるが、この場合はUSB 2.0に限られる。USB 3.2デバイスは必ずUSB 2.0の機能を持っているために低速ながら利用は可能だ。

 また、電源供給のみを想定した「USB Type-C電源プラグ」が定義されている。ただし、この場合の電源装置やケーブルに関しては、USB Type-Cの仕様の範囲外となるが、現実のケーブルとしては、USB Type-CやUSB-PDの仕様を満たすケーブルが必要だ。

USB Type-C電源プラグの接続点 USB Type-C電源プラグの接続点

 USBフル機能Type-Cのケーブルは、全ての信号が結線されているわけではない。まず、USB 2.0の信号(D+/D-)は、レセプタクル側の中央上下にあるが、プラグ側で「A」側にしかなく、プラグの向きに応じて、レプタクル側の上下どちらかと接続する。

分類 表記 意味
USB 3.1 TX1+/TX1- USB SuperSpeed/SuperSpeed+データ信号(Gen1x1、Gen2x1)
RX1+/RX1-
TX2+/TX2- コネクター反転時の接続先。コンフィギュレーション後にUSB 3.2 Gen1x2、Gen2x2接続で利用
RX2+/RX2-
USB 2.0 D+/D- プラグ側データ信号(1対のみ)
D1+/D1-、D2+/D2- レセプタクル側データ信号(2対)。プラグの向きに応じて、プラグ側のD+/-が、D1+/-かD2+/-のどちらかにのみ接続
構成/設定 CC1/CC2 レセプタクル側コンフィギュレーション信号。プラグの向きに応じて、プラグ側CCがレセプタクル側CC1またはCC2のどちらかに接続する
CC コンフィギュレーション信号(プラグ側)
電源 VBUS バス電源ライン
Vconn プラグ電源ライン(プラグ内回路用)。プラグの向きに応じてレセプタクル側のCC1/CC2のどちらかに接続する
GND グランド(0V、アース側)
補助信号 SBU1/SBU2 補助信号。サイドバンド。Alternate Modeなどでの利用を想定
USBフル機能Type-Cの信号線の意味

USB Type-C Plug #1 Wire USB Type-C Plug #2
ピン番号 ピン信号名 配線番号 配線信号名 ピン番号 ピン信号名
A1、B1、A12、B12 GND 1 [16] GND_PWRrt1 [GND_PWRrt2] A1、B1、A12、B12 GND
A2 SSTXp1 6 SDPp1 B11 SSRXp1
A3 SSTXn1 7 SDPn1 B10 SSRXn1
B11 SSRXp1 8 SDPp2 A2 SSTXp1
B10 SSRXn1 9 SDPn2 A3 SSTXn1
A4、B4、A9、B9 VBUS 2 [17] PWR_VBUS1 [PWR_VBUS2] A4、B4、A9、B9 VBUS
A5 CC 3 CC A5 CC
B5 VCONN 18 (PWR_VCONN) B5 VCONN
A6 Dp1 4 UTP_Dp A6 Dp1
A7 Dn1 5 UTP_Dn A7 Dn1
A8 SBU1 14 SBU_A B8 SBU2
B8 SBU2 15 SBU_B A8 SBU1
A10 SSRXn2 13 SDPn4 B3 SSTXn2
A11 SSRXp2 12 SDPp4 B2 SSTXp2
B2 SSTXp2 10 SDPp3 A11 SSRXp2
B3 SSTXn2 11 SDPn3 A10 SSRXn2
Shell Shield Outer shield Shield Shell Shield
USB Type-Cケーブルの配線

 また、レセプタクル側のCC1/CC2という信号線は、プラグ側では、CCおよびVCONNの2つの信号線となっており、プラグの向きを判定したのち、レセプタクル側(ホスト/デバイス側)がCC1/CC2の役割を変更して対応する。このとき、プラグ側のVCONN信号(ラグ内のeMarkerデバイス用の電源になる)は、反対側のプラグにつながっている場合とそうでない場合がある(これはケーブルの構成次第である)。

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