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USBで端子によって周辺機器の挙動が変わる件の原因と対処方法(の一例)

[ 1. はじめに]

通常パソコンには複数のUSBポートが付いていますが、刺す場所によってUSB周辺機器が正常に動作したりしなかったり、もしくは複数の周辺機器を使っている場合はポートの組み合わせで動作が不安定になるという話を以前から聞いていました。

例えば、こういう様なことです。

「iMacのUSBが端子によって速度が2倍違う件」
http://kumadigital.livedoor.biz/archives/51824240.html

「Lifehacking.jp MacBook の2つの USB ポートには違いがある…?」
http://lifehacking.jp/2008/05/difference-of-macbook-usb-ports/

どんな理屈でそうなるのか気になったので、調べてまとめてみました。



[ 2. 参考にしたサイトなど]

「USBインプリメンターズ・フォーラム(本家)」
http://www.usb.org/home

「通信用語の基礎知識 USB Root Hub」
http://www.wdic.org/w/WDIC/USB%20Root%20Hub

「121ware USB デバイスの電力消費を確認する」
http://121ware.com/qasearch/1007/app/servlet/relatedqa?QID=004080

「Microsoft technet デバイスに対する USB 電力および帯域幅の割り当てを表示する」
http://technet.microsoft.com/ja-jp/library/cc772242.aspx

「Microsoftコミュニティ 質問:USBルートハブのプロハティに表示される『必要な電力』について」
http://answers.microsoft.com/ja-jp/windows/forum/windows_other-gaming/usb%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%8F%E3%83%96/0157d901-f402-446e-bff3-1a9029c25595

「ITmediaエンタープライズ USB機器の消費電力を確認する」
http://www.itmedia.co.jp/help/tips/windows/w0563.html

「M-AUDIO MacBook/MacBook ProにてUSB端子を使用する条件」
http://www.m-audio.jp/index.php?do=support.faq&ID=d01380c0edebb8d0bfd34997f4e3a0ce

※TwitterなどSNSでも情報をいただきました。ありがとうございました。



[ 3. 調査結果]

恥ずかしながら「ルートハブ」と「USBポート」の違いを十分に理解していなかったため混乱しましたが、両者の違いを理解すれば発生している現象と原因の辻褄がおおむね合いました。既にご存知の方はこの先を読む必要は無いかもしれないです。


まとめると以下の様になります(MacでもWindowsでも同じ仕組みで動いています)。

・PC内に「ルートハブ」という電源のコンセントのようなものがある。

・「ルートハブ」の数は、パソコンの機種によって予めハードウェア的に決まっている。

・USBポートの数も、パソコンの機種によって予めハードウェア的に決まっている。
(もちろんUSBハブを使えば拡張できます)

・「ルートハブ」1個に対して供給できる最大電流が(USBの規格で)決まっている。
( USB2.0では500mA、USB3.0では900mA )

・USBポート1つあたりから供給できる電流が決まっているのでは無い点に要注意!

・従ってUSBのポートが2つ付いているパソコンでも、内部で同じルートハブに繋がっていれば、2つの合計で500mAまで(USB2.0の場合)、900mAまで(USB3.0の場合)しか給電できない。

・パソコンを買った時点で内蔵Webカメラ、SDカードリーダなどが『パソコン内部』でルートハブに繋がっていることがある。その場合は、
ポートに供給可能な電流 = ルートハブから供給できる電流 - 内蔵Webカメラが消費する電流 - SDカードリーダが消費する電流
となる。

・電源同様にデータの転送幅もルートハブ内で奪い合う形になる。

・デスクトップパソコンの場合は、ルートハブの数 = USBポートの数 である事が多いので、ルートハブとUSBポートの違いを気にする必要があまり無いが、ノートパソコンの場合、複数のUSBポートが1つのルートハブに繋がっている事が多いため、問題が起きる可能性も高い。

・最初に挙げたいくつかのトラブルの原因は、ルートハブに複数のデバイスが接続されていることで給電能力もしくはデータの転送速度が低下したためと考えられる。


またMacの比較的新しい機種では規格を越えた1100mAの供給能力を持っていることもわかりました。
(全てのポートでは無いようですが)

※参考リンク
「MacBook Pro 17インチ USBポートの給電能力の違い」
http://iici.cocolog-nifty.com/blog/2011/11/macbook-pro-17-.html

「Apple Computers and Displays:USB 経由の周辺機器への電力供給」
http://support.apple.com/kb/HT4049?viewlocale=ja_JP

一方Serato公式のサポート情報には、この様な記述もあります。

「Macのコンピューターには通常、”当たり”と”ハズレ”の(供給電力に違いがある)USBポートが存在します。インターフェイスを他のUSBポートに挿して改善されるか確認してください。」

「Serato Scratch Live Support USBドロップアウト(異音、音の途切れ)が起きた際のトラブルシューティングガイド (Mac)」
http://serato.com/scratchlive/support/15941/usb-mac


※Macの各機種毎の詳細な情報を探したんですが見当たりませんでした。気になる方はApple社にお問い合わせください。



[ 4. 実際の例 ~ うちのパソコンではこうなってました]

私が現在使っているパソコンはSONY VAIO Eシリーズの2011年秋モデル・VPCEH28FJという機種です。
ルートハブ、USBポートと、給電能力の関係がどのようになっているか確認しました。

まず、USBポートの数は
本体側面の左側に1つ、右側に3つ、計4つです。
※USB3.0対応以前の機種のため全てUSB2.0のポートです。

続いてルートハブの数は
「コントロールパネル」→「デバイス マネージャー」から確認したところ2つでした。

DeviceManager1.jpg



さらに各USBポートがどのルートハブに繋がっているかを実際にUSBデバイスを刺して確認してみました。
まとめるとこの図のようになってました。
USB構成図


「ルートハブ1」

供給可能な電力 500mA = 内蔵USBカメラが必要な電力 になっています。

RootHub1.jpg


続いて「ルートハブ2」
(1) iPod nano
(2) USBマウス
(3) Vestax VAI-40(USBオーディオインターフェイス)
の3つのデバイスが繋がっています。
3つ繋いだら電力が足りなくなってしまってます!!

RootHub2.jpg


4ポート付いているけど全部が1つのルートハブに繋がっているため、全体で500mAしか供給できない構成でした。
周辺機器の消費電力をかなり気を付けて使わないと、電力不足になる可能性が高い機種だということがわかりました。

※Macの場合も「システムプロファイラ」から同様に供給可能な電流などが確認できるようです。



[ 5. 対策 ~ トラブルを未然に防ぐために]


(1) 自分が使っているパソコンのルートハブの数と各ルートハブから供給可能な最大電流を把握しておきましょう。

(2) パソコンに装備されている各USB端子がどのルートハブにつながっているかを、把握しておきましょう。

(3) 普段使っているUSB機器の最大消費電流を把握しておきましょう。

(4) 各ルートハブには供給可能電流を超える負荷を与えないようにしましょう。

(5) USBポートからの給電だけではなく、ACアダプタを使える機器ではACアダプタを使ったほうが安定した動作が期待できます。そのためPCDJ/MIDIコントローラやオーディオインターフェイスは、USBバスパワーとACアダプタの両方に対応した機種を選んだほうが無難かなと思います。


[ 6. おわりに]

今回は、正常に動作しない、もしくは使用中に不安定になる要因を調べましたが、どの端子を使うかで音質に影響するかどうかは検証していません。ただ、もし給電に問題がある=異常な状態 だったら音質を比較しても意味が無いとは思います。
USBコントローラやD/A(やA/D)コンバータ、オペアンプなどが規格で許容されている範囲内の電源電圧・電流の変動でも音質は変わるのか?という話になると思いますが、一度USBオーディオインターフェイスやデバイスドライバなどを実際に開発されているエンジニアの方に詳しく話をうかがってみたいものです。

上記の内容は様々な理由で起こるUSBのトラブルの、あくまで一例について調べたものですので、その点ご了承頂きたいと思います。


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