ITパスポート試験 用語辞典

USB【Universal Serial Bus】ゆーえすびー
現在最も普及している周辺機器接続のためのインターフェイス。シリアルバス規格のひとつであり、主な特徴として、ハブを使うことで最大127台まで接続可能、ホットプラグ・プラグアンドプレイが可能、バスパワー方式に対応しており小電力のデバイスならコードを介して電源供給が可能なことなどが挙げられる。
データ転送速度は、USB1.0が12Mbps、USB2.0で480Mbps、USB3.0では5Gbps、最新のUSB3.1規格では10Gbpsとなり、さらに給電能力も強化されている。
分野:
テクノロジ系 » コンピュータ構成要素 » 入出力デバイス
出題歴:
22年秋期問70 23年特別問87 
重要度:

(Wikipedia ユニバーサル・シリアル・バスより)

ユニバーサル・シリアル・バス(Universal Serial Bus、略称 USB、ユーエスビー)は、コンピュータ等の情報機器に周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の1つである。

概要

ユニバーサル(汎用)・シリアル・バスの名の示す通り、ホスト機器にさまざまな周辺機器を接続するためのバス規格であり、最初の規格となるUSB1.0は1996年に登場した。現在のパーソナルコンピュータ周辺機器において、最も普及した汎用インターフェース規格である。(後々、とも呼ばれるようになる)従来からのRS-232CシリアルポートやIEEE 1284パラレルポート、PS/2コネクタの置き換えを狙って開発された。

USB規格では、1つのバスについて周辺機器は最大で127台接続可能である。接続口が足りない場合には、ツリー状に拡張できるUSBハブの使用も想定している。プラグアンドプレイにも対応しており、規格制定当時の一般的な外部インターフェースでは不可能だったホットプラグも可能としていた。

さらにUSB2.0の登場によって転送速度が大幅に向上し、従来はIDEやSCSI、イーサネットなど高速転送規格が必要だったハードディスクドライブ等の機器との接続にも用いられている。

ホストバスアダプタからの周辺機器への電源供給を規定している(バスパワー)。そのため従来のコンピュータ周辺機器だけでなく、事務用品や携帯電話、デジタルオーディオプレーヤーなど多様な機器へ電力を供給をする用途にも使用されるようになった。この機能に特化してデータ通信を一切行わない安価な接続ケーブルも販売されている。

USBはホスト機器と周辺機器を接続する規格であり、ホスト同士・周辺機器同士の直接接続には非対応で、電力供給能力が低いといった限界や柔軟性に欠ける部分はあるものの、現在のパーソナルコンピュータ環境では利便性に優れ、周辺機器との接続に最も使用される規格である。特に外部記憶デバイスとして扱えるUSB接続のUSBメモリは可搬性の高さからよく利用されている。

当初はインテル、マイクロソフト、コンパック(現 : ヒューレット・パッカード)、レーション(現 : ヒューレット・パッカード)、IBM、日本電気、ノーザンテレコム(現 : ノーテルネットワークス)が仕様を策定したが、2009年3月現在では、NPOである"USB Implementers Forum, Inc." (USB-IF) が仕様の策定や管理などを行なっている。USB-IFは、インテル、ヒューレット・パッカード、マイクロソフト、日本電気、NXPセミコンダクターズ、テキサス・インスツルメンツの6社が主導企業であり、合計180社で構成される。

特許

USBデバイスの製造にあたっては製造者を識別するためのベンダーIDの申請を行う必要があるものの、特許使用料は無料とされている。ただし、類似独自規格の乱造乱立を防ぐ目的で特許自体は存在している。

多くの他のバス規格では、特許料の支払いの関係で個別での契約が必要であるなど、中小法人の参入が難しかったのに対し、USB規格ではルールさえ守れば事実上誰でも参入可能なことが普及を促進したと言われており、玩具など幅広い機器が発売されている。

USBの各世代

ファイル:USB & Thunderbolt? Speed Comparison.jpg|thumb|ThunderboltとUSBの転送速度

USB規格は、最大転送速度の向上などを求めて何度か規格が拡張されている。これらは1.1から3.1まで上位互換であり、機能や性能が下位規格に縛られる事を除けば、下位規格品と上位規格品を接続しても正しく動作する事が求められている。

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USB 1.0

USB1.0
1996年1月発表。最大12Mbps。

USB 1.1

USB1.1
1998年9月発表。USB 1.0の規格仕様を電源管理等について改善した。最大12Mbps。

USB 2.0

USB2.0
2000年4月発表。USB 1.1の規格仕様に、High Speedモード(最大480Mbps)を追加した。

480MbpsのHigh Speed転送やそれをサポートする機器と、規格のバージョン番号であるUSB2.0を同一の意味で使う場合があるが、これは誤用である。USB2.0規格では依然としてFull SpeedデバイスおよびLow Speedデバイスは設計および製造が可能でかつ販売および利用が可能である。USB-IFではHigh Speedであることを明示したいような場合の用語として"Hi-Speed USB"を使うように指導している。

USB 3.0

USB3.0
USB 3.0の規格はUSB-IFで標準化が進められ、2008年8月のIntel Developer Forumにて、revision 1.0が2008年第4四半期に登場すると明言され、同時にピンの仕様とコネクタおよびケーブルのプロトタイプが出席者に対して公開された。その後、正式な通称が「SuperSpeed USB」とされ、この新しいロゴも公開された。2008年9月には暫定規格であるrevision 0.9が決定された。

2008年11月17日に「SuperSpeed USB Developers Conference」上で正式な仕様が発表され、USB 3.0規格はrevision 1.0として正式なものとなった。

USB 3.0は、物理的な後方互換性を保ちつつ、最大データ転送速度が5Gbps(ただし、8ビットのデータが10ビットの信号に変換されて送られるので実際のデータの転送速度は4Gbps=500MB/sが上限)となり、USB2.0の約10倍になった。ピンの数が従来と比べて標準では5本増えて9本となり、USB On-The-Go 対応のオプションでは計10本となるが、ピン形状が工夫され従来のUSB 1.1やUSB 2.0対応の(標準)A端子、(標準)B端子、マイクロB端子との物理的な後方互換性は確保された。最大伝送距離はUSB 2.0の5mに対して3mとされる。符号化方式がUSB 2.0のNRZIに対して8B/10BとPRBSが採用され、通信モードも半二重から全二重(単信2組)となる。物理層にはPCI Express 2.0の技術が準用されている。給電能力がUSB 2.0の500mA (5V) から最大900mAに増やされた。携帯機器への配慮から消費電力の削減が強く求められ、SuperSpeedではが排除され、4つの待機モードも新たに設けられた。

また、USB 3.0対応機器のコネクタの絶縁体部には1.1/2.0との区別のため青色を使用することが推奨されている。

電磁放射ノイズのピークを下げるために、スペクトラム拡散クロックが必須とされた。光伝送も含まれる予定だったがコスト面からの反対が多く、revision 1.0での導入は見送られた。光伝送技術の導入に積極的なインテル社は、将来の採用を構想している。

放射電磁雑音対策のために、信号ケーブルにはシールド付きの物を使用するが、規格である3mの伝送距離を満たした試作品は直径6mmあり、携帯機器によってはUSBケーブルで宙に浮いてしまう。そういった事態を避けるために今後、伝送距離を1m程度に短くし、伝送損失が許される範囲の規格で更に細い信号ケーブルを使う事も検討されている。

USB 3.0がチップセットに内蔵されることでマザーボードの標準機能に含まれるのは、AMD社ではA75、Intel社ではIntel 7シリーズからである。

増設インターフェイスカードを使用する際には、通信速度のボトルネックに注意が必要となる。USB 3.0の1ポートあたりの最大転送速度は5Gbpsであり、PCI Express x1 (Gen2) の最大転送速度も5Gbpsであるため、市場に多く出回っているPCI Express x1のインターフェイスカードを増設した場合、USB 3.0を2ポート以上接続して利用するとPCI Express x1の転送速度がボトルネックとなる。これを避けるために、PCI Express x4スロットで接続するインターフェイスカードも登場している。また、PCI Express x1のマザーボードからの最大供給電力は10Wであるが、USB 3.0の2ポートに規格上限の電力を供給すると9Wとなり、余力に乏しい。このため、多くのPCI Express x1のインターフェイスカードには、電源ユニットからの電力線を接続する補助電源端子が備わっている。

2012年までの多くのパソコンで、USB3.0が1ポート(もしくは2ポート)と残りがUSB2.0ポートという組み合わせにされている理由は、(1) 技術的にルネサスのUSB3.0コントローラが2ポートまでしか対応していないこと、(2) USB3.0の要求する電力がUSB2.0よりも高く、容量の大きな電源が必要になってくること、および、(3) チップセット内蔵の場合、CPU⇔サウスブリッジ間のバス・バンド幅が現状では十分でないため、現状では全てのポートをUSB3.0化することは技術的に不可能であること、などが原因である。

USB 3.1

USB 3.0 Promoter Groupは2013年8月1日、USB 3.1規格の策定完了を発表した。USB 3.1はSuperSpeed USBで10Gbpsの転送速度を可能とするものである。

SuperSpeed USB 10Gbpsはより効率的なデータエンコードを使用し、現行のSuperSpeed USBの2倍の実効データスループット性能を実現する。一方で現行のUSB 3.0とのソフトウェア階層やデバイスのプロトコルとの互換性は保証され、5.0GbpsのUSB 3.0ハブ・デバイスやUSB 2.0製品との互換性も保たれる。

Wireless USB

Wireless USB

Wireless USBは、2005年5月に発表された。無線通信によるデバイス接続をサポートする。Agere Systems(現 : レーション)、HP、インテル、マイクロソフト、NEC、フィリップス、サムスン電子の7社により策定された。有線USB規格と接続性を考慮しているが、それらとは独立した規格として作成されている。

機能概略

USBでは、1つのバスに仕様上最大127台の機器を接続し同時に使用することができる。ホットプラグにも対応する。ただしOS、USB機器によっては、取り外す場合USBデバイスを停止させる手順を実施しないと警告が出ることがある。これは、ドライバ・ソフトウェアの処理で、状態の不整合による不具合が起こることがあるためである。

ホストを根 (root) とし、ハブとデバイスによる木構造の接続形態をとる。通信データはパケット化され送られる。ハブとデバイスは動作中それぞれ独立したバスアドレスを持つ。このアドレスはデバイスがバスに接続時にホストにより動的に割り当てられる。アドレスは7ビットであり、特殊用途のアドレス0を除くと127個の個別デバイスが同一バス上に同時に存在できる。パケットは基本的にブロードキャストされ、パケットに指定されているあて先アドレスを見てデバイス側で必要なパケットを受信する。通信はホスト側からの働きかけにより開始される必要がある。したがってSCSIなどと異なりバス上でデバイス側からの通信は基本的な規格内では行えない。周辺機器同士を直接接続するための仕様USB On-The-Goがあるが、これはどちらか片側がホスト動作することで同一のセマンティックスとなるようになっている。

転送速度

Low Speed(LSモード) - 1.5Mbps
キーボードやマウスなど、高速な通信が必要ない周辺機器に用いる。
Full Speed(FSモード) - 12Mbps
イメージスキャナーやプリンターなど、通信速度が要求される周辺機器に用いる。USB 1.1まではこの速度が最大である。G5 Laser Mouse等、ロジクールの一部のマウスでも用いられている。
High Speed(HSモード) - 480Mbps
大容量ストレージなどを実用的な速度で扱える。USB 2.0で新設された。
SuperSpeed(SSモード) - 5Gbps
SSD (Solid State Drive) 等の高速デバイスを扱える。USB 3.0で新設された。
SuperSpeed(SSモード) - 10Gbps
600MB/s以上のSSD等高速デバイスを扱える。USB 3.1で新設された。

独自の高速化技術

HDDなどを接続するとHigh SpeedモードでもMass Storageクラス準拠では転送速度がボトルネックとなる場合があるため、転送方法の工夫で実効速度を向上させる製品を出荷しているところがある。バッファローの「TurboUSB」とアイ・オー・データ機器の「マッハUSB」がそれで、20% - 30%高速化すると謳っている。ソフトウェアで処理するため接続するパソコンの性能に依存し、両社ともWindowsとMac OSのみの対応となっている。

転送モード

コントロール転送
デバイスの設定・制御のためのもの。
インタラプト転送
一定間隔でデータを転送するためのもの。キーボードやマウスなどに使われる。名前から想像されるのとは異なり、ホストからの一定間隔のポーリングによって実現される。
バルク転送
比較的まとまった量のデータを非周期的に転送するためのもの。補助記憶装置やイメージスキャナなどに用いられる。
アイソクロナス転送
連続的周期的なデータを転送を行う。再送がないため確実性は保証されない。ビデオや音響機器の入出力などに使用される。
USB Attached SCSI Protocol

USB Attached SCSI Protocol(略称 UASP)とはUSBの拡張仕様で通信プロトコルの一つである。

一般的に補助記憶装置との通信はバルク転送が使われており、転送効率の悪さから通信速度の低下を招いていた。それに代わりSCSIデバイスで使われていた通信プロトコルを応用することで通信速度の改善を図ることができる。

UASPを利用するにはパソコン及びデバイスの対応と、それらを制御するOSの対応がそれぞれ必要である。

デバイス・クラス

USBクラス
USBでは、周辺機器の機能によってグループ分けされた デバイス・クラスと呼ばれる仕様群が定義されている。それぞれのクラス仕様(クラス仕様によってはサブクラスの仕様)に従って作成されたデバイスには統一した制御インターフェースが用意され、クラス仕様に準拠した機器類は、クラス・ドライバーと呼ばれる共通のデバイスドライバ・ソフトウェアによって動作させることができるため、同一クラスであれば製品ごとに個別のドライバ・ソフトウェアを作る必要がなくなっている。例えば、多くのUSBメモリはマスストレージ・クラスというクラスに属しており、OS側がマスストレージ・クラス対応のクラス・ドライバを用意していれば、USBメモリがクラス仕様に準拠する限り、新たにドライバをインストールする必要がなく、初めて接続してもすぐに動作する。ただし、実際にはデバイス側の仕様違反、特定ホストの動作に依存したデバイスの実装、仕様上の曖昧さによるぶれなどにより、共通のクラス・ドライバでは動作しない、ドライバ内に不具合回避処理が盛り込まれる、専用ドライバが提供される、という場合もある。

2009年11月現在、USB.orgによって定義されているデバイス・クラスは以下の通りである。

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ホストコントローラの種類

USB規格ではホストコントローラの規格を定義しておらず、以下のホストコントローラ規格はUSBの仕様外である。複数のホストコントローラ規格がある。これらは制御方法が異なるため、それぞれ別のドライバが必要である。ただし同一ホストコントローラ規格内では共通のものが通常使える。
UHCI (Universal Host Controller Interface)
インテル社が開発し、インテルおよびVIA社のx86用チップセットで採用されている。USB1.x時代に開発され、Full/LowSpeed対応。
OHCI (Open Host Controller Interface)
マイクロソフト社、ナショナル セミコンダクター社、コンパック社が開発し、インテル・VIA社以外のチップセットで使われている。USB1.x時代に開発され、Full/LowSpeed対応。
EHCI (Enhanced Host Controller Interface)
インテル社が開発した。ただしコントリビューター(貢献者)としてコンパック社、ルーセント・テクノロジー社、マイクロソフト社、NECが挙げられている。USB2.0規格で新設されたHighSpeedをサポートする。通常Full/LowSpeedデバイスとの通信を行うための"Companion HostController"(UHCI、OHCIが普通)が同一チップ内に実装され、Full/LowSpeedデバイスがハブを通さず直接接続されたときに通信を担当する。EHCIはFull/LowSpeedデバイスとの通信も行うことができるが、その場合にはデバイスとの間にあるUSB2.0規格ハブによりHighSpeedへの通信速度変換が行われた上で実行される。
xHCI (eXtensible Host Controller Interface)
インテル社が開発した。USB3.0規格で新設されたSuperSpeedをサポートする。すでにインテルより提供が開始され、周辺機器の開発が始められている。
WHCI (Wireless Host Controller Interface)
インテル社が開発した、Wireless USBのホスト規格である。UWB一般の制御とWireless USBのホスト部と複数の機能を同時に定義している。Wireless USB部分の制御方法はEHCIと似ている。
ScanLogicのSL811HST、NXPセミコンダクターズのISP1160 等
組み込み用途向けのマイコンバス直結型USBホストコントローラー。規格化はされていないのでメーカーが異なると全く互換性は無い。

物理接続

端子類/コネクタ

端子類/コネクタの形状はUSB規格で定められている。ミニA端子B端子、ABソケットについては拡張規格であるUSB On-The-Go規格内で定められている。





2009年3月現在、定義されている端子形状には以下のものがある。

  • USB 2.0までの対応品
    • USB Aプラグとソケット (Standard-A)
    • USB Bプラグとソケット (Standard-B)
    • ミニUSB仕様
      • ミニAプラグとソケット
      • ミニBプラグとソケット
      • ミニABソケット
    • マイクロUSB仕様
      • マイクロAプラグとソケット
      • マイクロBプラグとソケット
      • マイクロABソケット
  • USB 3.0までの対応品
    • USB Aプラグとソケット (Standard-A)
    • USB Bプラグとソケット (Standard-B)
    • マイクロBプラグとソケット

A端子類はコンピュータ本体やハブ(下流・デバイス接続側)に、B端子類は周辺機器やハブ(上流・ホスト接続側)に使われている。ミニB端子類は、デジタルカメラなどの小型デバイスに使用される。端子形状を変えることにより接続方法を制限し、バストポロジーの木構造が保たれるように配慮されている。

ミニABソケット(メス側コネクタ)は、ミニAプラグとミニBプラグのどちらでも接続できるものであり、マイクロABソケット(メス側コネクタ)についても同様である。詳しくはUSB On-The-Go参照のこと。携帯情報端末やスマートフォンなどの一部で使われている。これらの搭載機はパソコンに接続する場合は『子機』として動作し、単体の場合は他のUSB機材を接続して『親機』として使うことを前提としている事と小型化のために採用している。使用時は接続ケーブルを交換することでどちらの動作をすべきなのかを判断している。本体側もUSBホスト機能を内蔵している。

USB 3.0まで対応出来る端子とソケットが2008年11月から新しく仕様に加わった。従来どおりUSB 1.1以降での上位互換性を守り、USB 3.0まで対応可能な端子とソケットはUSB 1.1以降の物との混用が可能である。USB 3.0でのピン数の増加に対応して新たな端子とソケットは、USB 2.0までの規格形状を満たしながら、奥まった位置 (A) や2段重ね (B)、横位置(SideCarと呼ばれる横並びの配置、Micro-B)に追加の端子が増やされた。

端子は、データ端子よりも電源端子の方が長くなっている。これは、機器が挿抜される際、電源が入っていない状態でデータ端子に電圧がかかり、機器を破損するのを防止するためである。

補足:WACOMが出していた液晶タブレットPL-550はミニDINコネクタ4ピン形状のコネクタを採用している。しかし、ピンアサインはS端子ともADB (Apple Desktop Bus) とも異なる。現在、日本国内でこのケーブル単体での入手は困難である。

ピン配置
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端子形状・方向

USB A端子はその端子を正面から見るといずれの側からも単なる長方形となっており、接続するための裏表を間違う事がある。実際にはオス側(穴のある側)表面にかかれているUSBのマークにより判断が可能だが、それを利用者が意識せず逆差ししようとすることがある。USBポートおよびオス側コネクタ内の厚みの半分ほどをプラスチックの板で塞ぐことにより、逆差しが物理的に不可能になるようにしてあるので(本記事内の各写真を参照)USBプラグが差せない、という状況になる。

バッファローはA端子の表裏どちらを挿しても正常に使用できる独自仕様の「どっちもUSB」シリーズ(USBハブ・ケーブル等)を2012年に発売した。

ケーブル

規格ではケーブルはHigh/Full Speed用とLow Speed用の2つが定められている。安価に製造できるようLow Speed用は電気的特性が緩い。Low Speedデバイスではケーブルが分離できるように設計することが明示的に禁止されているため、単独のケーブルはすべてHigh/Full Speed用となる。

誤接続を防ぐため、A端子はホスト側、B端子はデバイス側と規定されている。このため、両側がA端子、あるいは両側がB端子であるようなケーブルは規格違反品である。

またこれとは別に、A端子とAソケットが付いたUSB延長ケーブルはA・B端子使い分けの点では問題がないが、複数接続によって規定の長さを超える危険性があるため、これも規格で明示的に禁止されている。USBロゴがついていた場合は、ロゴの無断使用となる。

互換性

バージョン間

USB 2.0規格はUSB 1.1規格と互換性を保つように設計されたため、USB 2.0規格のUSBポートにUSB 1.1規格で設計された機器をつないでも使える。また、USB 2.0規格で新設されたHighSpeed機器をUSB 1.1規格で設計されたポート、ハブにつないだ場合でも、FullSpeedの転送速度で使用できる。また、USB3.0規格は、USB2.0規格と互換性があるように設計されている。しかし、現在のUSB3.0規格に準拠していない製品にもかかわらず、USB3.0をうたっている製品がある。これらは、USB2.0との互換性がない・転送速度が遅いなどの不具合を起こす可能性がある。

ケーブル


USBケーブルの規格はUSB2.0で変更されていないので、同じものが使えることになっている。USB1.1の規格を正しく守っていない低品質のケーブルでは、HighSpeed通信においてケーブルの長さなどに制約を受けることもある。また「USB2.0対応」と称するケーブルも発売されている。これはシールド線構造等外部からのノイズを防ぐ工夫がなされているものと考えられる。

ホストコントローラ


、いわゆる相性によりどちらかでないと正常に動作しないデバイスが過去に存在したものと考えられる。

相性

USBホストコントローラとUSBデバイス側のコントローラのメーカー、モデル、ファームウェア等の差異、かつてはさらにOSやドライバ側の問題などによっても相性問題が生じたことも知られており、特に規格成立初期に登場したコントローラ同士を接続した際に混乱を生じたこともあった。

この“初期の相性問題”については、インテル社が自社製のPC用チップセットにUSBホストコントローラを内蔵することによって各デバイスがインテル社製チップセットのホストコントローラおよびWindowsへの接続に対して互換性の確保を図ることで、間接的に機器間の相性問題も収斂してゆくという結果を、USB1.1、2.0ともに辿っている。

また、USB1.1までの仕様では、インピーダンス等の電気的特性における仕様がゆるく、規格適合性試験も必須でなかったため、相性問題の発生を抑制し切れないという事情もあった。USB2.0仕様からは電気的仕様が厳密になり、USBロゴを取得するための規格適合性試験も必須となったため、「相性問題」はほぼ解消されたといわれる。

しかし、市場やユーザーの手元には、初期に製造され相性問題を抱える製品が現存している場合もあり、また、一部のメーカー・ベンダー製ホストコントローラとコントローラ間などにおいては、相性問題を発生する状況も依然として存在し続けている。

具体的な症状としては、USBメモリが認識はされるが中身が表示されない(別のコネクタに接続すると正常に動作する)、ストレージモードで接続している携帯型音楽プレーヤーが途中でシャットダウンする、などが挙げられる。

複数機器接続

規格上は、最大127台までの機器を一つのバスに接続することができる。木構造の「深さ」を示す Tier は、ルートハブ(ホスト)を含め7段までに制限されている。つまりデバイスとホストの間にハブは最大5台まで存在することができる。ケーブルの最大長は規格では遅延時間とVBUSの電圧降下の最大値として定められており、ケーブル1本あたり最大26nsおよび125mVである (§7.1.16, 7.2.2)。

出題例

USBは,PCにハードディスク,プリンタなどの様々な周辺機器を接続できるインタフェースである。USB2.0に関する記述のうち,適切なものはどれか。
  • PC,USBハブ及び周辺機器側のコネクタ形状は1種類に統一されている。
  • PCと周辺機器の間の転送速度は,幾つかのモードからPC利用者自らが設定できる。
  • 電力消費が少ない周辺機器は,電源に接続することなしにUSB接続するだけで電源供給を得ることができる。
  • パラレルインタフェースであるので,複数の周辺機器を接続しても,周辺機器ごとのデータ転送速度は遅くならない。

正解

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