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ユニバーサル シリアル バス 4 (USB4™) の設計の詳細と一般的な要件

  • [アーティクル]

仕様で定義されている要件に加えて、高レベルの設計およびユーザー エクスペリエンス要件の一部を以下に示します。

  • USB4 経由でトンネリングされるデバイス (USB 3.x、PCIe、ディスプレイ) は、ネイティブの場合と同様に動作します。 プロトコル スタックにソフトウェアの変更は必要ありません。また、USB4 経由でトンネリングされていることがプロトコル スタックに対して透過的である必要があります。

  • パートナーは、自社の USB ハードウェア (システム、ハブ、ケーブル、アクセサリなど) が、市販予定または既に市販されている他の USB ハードウェアと相互運用可能であることを確認する必要があります。 相互運用性とコンプライアンスに関する Universal Serial Bus-Implementers Forum (USB-IF) 主催のイベントに参加されることをお勧めします。

  • 複数の USB-C® ポートを搭載するシステムに関して、Microsoft では、一貫したユーザー エクスペリエンスを提供するために、すべてのポートで USB4 をサポートすることを強くお勧めします。

  • USB4 基本仕様の第 13 章、また USB Type-C® コネクタおよびケーブル仕様に従い、Thunderbolt™ 3 互換性が必要です。 Windows USB4 接続マネージャー ドライバーは、USB4 ホストに接続された Thunderbolt™ 3 周辺機器をサポートするように設計されています。

  • Windows 11 の USB4 接続マネージャーの最初のリリースでは、アドイン カードはサポートされていません。

  • Windows ハードウェア互換性プログラムの USB4 ハードウェア ラボ キット (HLK) にある詳細な要件の完全なセットを参照してください。

  • USB4 接続マネージャーの最初のリリースは、ホストおよびデバイスのルーターが USB4 仕様に対応し、USB4 接続マネージャー ガイド Rev 1.0rc に従って実装されている必要があります。 ハードウェア実装者は必ず、その他の ECN に加えて、USB4 接続マネージャーにとって非常に重要である以下の ECN を確認しておく必要があります。 これは、必要な ECN の完全な一覧を示すものではありません。 これらのドキュメントは、USB4 仕様のダウンロードから入手できます。

    • USB4 1.0 ECN - Change in ISC and ISS Registers Address.pdf

    • USB4 1.0 ECN - DROM Base Address.pdf

    • USB4 1.0 ECN - Router Ready Bit.pdf

    • USB4 1.0 ECN - HI memory order.pdf

    • USB4 1.0 ECN - Host Router State Machine.pdf

    • USB4 1.0 ECN - Change C3S Bit Polarity.pdf

    • USB4 1.0 ECN - Buffer Allocation Request Operation.pdf

    • USB4 1.0 ECN - DP BW Allocation.pdf*

      * DP 帯域幅割り当て ECN の全体が必要なわけではありません。 Windows USB4 接続マネージャーのグラフィックス電力管理スキームでは現在、ECN の機能のうち接続マネージャー ID、アダプター番号、および TopologyID のみを使用しています。 詳細については、「グラフィックス ドライバーの要件」を参照してください。

Note

接続マネージャーの実装詳細の一部は、デバッグを支援するために提供されています。 実装の詳細に依存しないでください。

USB Type-C® 要件

Windows USB4 接続マネージャーには、USB Type-C® ソフトウェア スタックへのソフトウェア依存関係はありません。 たとえば、UCMCx、UCSICx などです。 ホスト ルーターとデバイス ルーターでは、最新の USB Type-C® コネクタ仕様で説明されている、USB4 の検出とエントリに関する要件に従う必要があります。

USB4 デバイスは、USB4 デバイスとして接続できない場合、USB ビルボード デバイス クラス経由で USB インターフェイスを提供することがあります。 Windows では、ビルボード デバイスが検出されると、デバイスの機能が制限される場合があることを示す通知をユーザーに表示します。

BIOS からオペレーティング システムへのハンドオフ

USB4 ホスト ルーター リセットのためのハードウェア インターフェイスがない場合、Windows USB4 接続マネージャーでは、ホスト ルーター構成領域のクリーンアップを実装します。これは、ハードウェアによって開始されるホスト ルーターのリセットをエミュレートするものです。 ホスト ルーター構成領域のクリーンアップの目的は、Windows USB4 接続マネージャーを実行する前に起動前接続マネージャー (UEFI CM) が実行されている場合に、構成領域の値を既定値に戻すことです。 これは、コールド ブートの前、または休止状態 (S4) から再開する前に UEFI 接続マネージャーが実行される場合に発生する可能性があります。

帯域幅共有ポリシー

Windows USB4 接続マネージャーでは、USB4 リンクのオーバーサブスクリプションを防ぐための帯域幅管理機能を提供します。 USB4 リンク帯域幅の最大 90% は、USB 3.x (等時性)、PCIe、および DisplayPort™ トラフィックのために明示的に割り当てられ、接続マネージャーによって実装される帯域幅共有ポリシーに従って分割されます。

デバイス ルーターが列挙されると、アップストリームとダウンストリームの両方向で USB4 リンクの容量がレーン ボンディング後に決定され、その結果、たとえば 10 Gbps、20 Gbps、または 40 Gbps のリンク速度が計算されます。 次に、リンクの使用可能な容量は、この 90% として計算されます。 この例では、90% はそれぞれ 9 Gbps、18 Gbps、または 36 Gbps になります。

Note

Thunderbolt™ 3 リンクについては、USB 3.x & および PCIe の計算に関する以下の説明は当てはまりません。 DisplayPort™ トンネルではすべての帯域幅が使用可能です。

リンクの帯域幅は、まず USB 3.x & と PCIe の両方に割り当てられます。 この USB 3.x & と PCIe の統合帯域幅は、3 分の 2 が USB 3.x に、3 分の 1 が PCIe に分割されます。 この帯域幅の USB 3.x 部分は、ハンドシェイク プロセスを通じて、等時性使用のために USB 3.x ホスト コントローラーにプログラムされます。このプロセスでは、USB 3.x アダプター構成領域の CMR ビットがセットされ、USB4 接続マネージャーは、使用可能な帯域幅をプログラムする前に、USB 3. x ホスト コントローラーからの受信確認を待機します。 最大の USB 3.x 帯域幅は、多くの場合、割り当てる帯域幅を計算するときに考慮される USB 3.x リンク速度 (10 Gbps/20 Gbps) に制約されます。

DisplayPort™ 帯域幅 (DP BW) 割り当てモード

Windows 11 ビルド 22621.1344 (KB5022913) 以降、および USB4 仕様で定義されている DisplayPort™ 帯域幅 (DP BW) 割り当てモードに対応するシステムでは、USB4 接続マネージャーで動的 DisplayPort™ (DP) トンネル帯域幅の割り当てが許可されます。 この機能により、システム上のグラフィックス スタックとの連携を通じて、DP トンネルで使用できる帯域幅をより効率的かつ動的に使用して、すべてのトンネル間で帯域幅を最適に分割することができます。

DP トンネルを作成すると、USB4 接続マネージャーで、トンネルを形成する DP IN アダプターと DP OUT アダプターの指定された機能に基づいて、最初にトンネルの帯域幅の予約が試行されます。 十分な帯域幅が使用できない場合、DP 以外の BW 割り当てモード トンネルと同様に、初期予約が減ります。

その後、トンネルが作成されるときに、接続マネージャーで DP アダプターの DP BW 割り当てモードのサポートがチェックされます。 DP BW 割り当てモードに対応している場合は、それが DP IN アダプターに対して有効になり、使用可能な合計帯域幅 (以前に予約された帯域幅を含む) がアダプターの "ESTIMATED_BW" レジスタに書き込まれ、割り当てられた帯域幅がアダプターの "ALLOCATED_BW" レジスタに 0 として書き込まれます。

DP トンネルが作成されると、(他の DP トンネルや他の帯域幅操作による) トンネルの使用可能な帯域幅に対する変更が発生すると、USB4 接続マネージャーで DP IN アダプターの "ESTIMATED_BW" レジスタが更新され、使用可能な帯域幅の追加または削減が通知されます。

トンネルが作成された後は、グラフィックス ドライバーから通知が送信され、トンネリングされたモニターの選択した解像度、リフレッシュ レート、ビット深度などに対応するために必要とされる正確な帯域幅が USB4 接続マネージャーから要求されます。

その後、グラフィックス ドライバーによって、モニターのパフォーマンス要件の変更による帯域幅の追加または削減が要求されることがあります。 USB4 接続マネージャーから帯域幅の追加が要求された場合、接続マネージャーによって、トンネルと共有されているリンクで USB3 に割り当てられた帯域幅の再利用が試行されることがあります。 その後、USB4 接続マネージャーによって、操作の結果と、使用可能な帯域幅や割り当てられた帯域幅に対する変更を使用して、DP IN アダプターの構成領域が更新されます。

DisplayPort™ 帯域幅割り当てモードに対応していないシステム

USB4 仕様で定義されている DisplayPort™ 帯域幅割り当てモード機能に対応していないシステムでは、DisplayPort™ (DP) 帯域幅が先着順の割り当て基準で割り当てられます。 DP トンネルが作成されると、USB4 接続マネージャーは、他の DP トンネルのために使用されている帯域幅を調べます。また、USB 3.x ホスト コントローラーに対してクエリを実行し、等時性トラフィックのために現在使用されている帯域幅を調べます。このとき、先に説明したハンドシェイク プロセスを使用します。 帯域幅が使用可能な場合、DP トンネルに十分な量だけ帯域幅が回収されます。これは、トンネルを形成する DP IN および DP OUT アダプターの機能に基づいて決定されます。

DP IN/OUT アダプター ペアの機能を満たすのに十分な帯域幅がない場合、使用可能な帯域幅に合わせて DP 機能がマスク オフされます。その結果、DP トンネルのネイティブ最大解像度よりも解像度が低下する可能性があります。 最小の DP 構成を満たすのに十分な帯域幅が使用できない場合、DP トンネルは失敗します。 最も一般的な構成のための十分な帯域幅がなく、以前に作成された DP トンネルの帯域幅がポーリング後に解放されていない場合、新しいトンネルの作成は、前のトンネルによって帯域幅が解放される可能性を考慮して停止されます。

トンネルが正常に作成されると、接続マネージャーは、共通の機能 (出力デバイスに必要な実際の帯域幅を反映) が使用可能になるまで、DP IN アダプター構成領域をポーリングします。 この時点で過剰な帯域幅が割り当てられている場合、余った帯域幅は USB 3.x & と PCIe の統合帯域幅プールに解放され、USB 3.x ホスト コントローラーに再プログラムされます。

表示に関する考慮事項

WinPE でのトンネリングされたディスプレイの使用

トンネリングされたディスプレイを使用するには、OS で実行されているグラフィックス ドライバーが正常に稼働している必要があります。 WinPE (Windows プレインストール環境) でグラフィックス ドライバーを使用できるように OEM がセットアップしていない場合、そのイメージではトンネリングされたディスプレイが稼働できません。 WinPE を起動する際には、組み込みのディスプレイ パネルを使用することをお勧めします。 使用できない場合は、非トンネリング構成 (ネイティブ DP、HDMI、または USB Type-C Alt モード) で外部ディスプレイを接続します。 どちらの方法も使用できない場合は、DISM または同等のメカニズムを使用して、適切なグラフィックス ドライバー パッケージを WinPE イメージに追加する必要があります。

セキュリティに関する考慮事項

PCIe トンネリングの無効化

セキュリティ機能として、USB 用の _OSC を使用して PCIe トンネリングを無効にする機能を提供できます。 PCIe トンネリングを無効にすると、Windows USB4 接続マネージャーは PCIe トンネルを作成しなくなります。 さらに、Thunderbolt™ 3 に PCIe トンネリングがない場合、PCIe 列挙 USB ホスト コントローラーから提供される USB 機能も影響を受けるため、Thunderbolt™ 3 デバイス ルーターは列挙に失敗する可能性があります。

PCIe トンネリングが無効になっている場合は、Thunderbolt™ 3 代替モードを無効化することを検討してください。 これにより、Thunderbolt™ 3 ルーターまたはドックは、USB 3.x 動作および (DP) 代替モード動作にフォールバックできます。

USB4 ホスト ルーターの DMA 再マッピング ポリシー

無効な DMA アクセスによる影響を制限するために、USB4 ホスト ルーター デバイスに対して DMA 再マッピングが有効になっています。 ホスト ルーターに対して DMA 再マッピング ポリシーが常に有効となるよう、DmaRemappingCompatible 設定は 1 に設定されます。

USB4 HLK の要件

USB4 の要件の完全な一覧を次に示します。

Device.BusController USB4 要件

System.Fundamentals USB4 要件

こちらもご覧ください

"Thunderbolt は Intel Corporation またはその子会社の商標です。"

"「USB4™」は USB Implementers Forum の商標であり、USB4™ 仕様に基づいた製品またはこれに準拠した製品での使用のみが認められています。"