USB 80Gbit/s ポートのロゴ

ユニバーサル・シリアル・バス（USB）は、 USBインプリメンターズ・フォーラム（USB-IF）によって開発された、様々な電子機器間のデジタルデータ伝送と電力供給のための業界標準規格です。USBは、パーソナルコンピュータなどのホスト、ディスプレイ、キーボード、大容量記憶装置などの周辺機器、そしてホストのポート数を増加させる中間ハブとの間の物理インターフェースと通信プロトコルなど、アーキテクチャを規定しています。[ 2 ]

1996年に導入されたUSBは、もともとシリアルポート、パラレルポート、ゲームポート、Appleデスクトップバス（ADB）ポートなどのさまざまなインターフェースを置き換えて、コンピュータの周辺機器の接続を標準化するために設計されました。[ 3 ] USBの初期のバージョンは、キーボード、マウス、カメラ、プリンター、スキャナー、フラッシュドライブ、スマートフォン、ゲームコンソール、パワーバンクなど、幅広いデバイスで一般的に使用されるようになりました。[ 4 ] USBはその後、コンピュータ、モバイルデバイス、周辺機器、電源、その他さまざまな小型電子機器のほぼすべての一般的なポートを置き換える標準規格へと進化しました。

最新の標準では、USB-Cコネクタが、電源 (最大 240 W)、ディスプレイ (DisplayPort、HDMI など)、およびその他のさまざまな用途の多くの種類のコネクタ、および以前のすべての USB コネクタに取って代わります。

2024年現在、USBはUSB 1.x、USB 2.0、USB 3.x 、 USB4の4世代の仕様で構成されています。USB4仕様は、「複数のプロトコルを単一の物理インターフェースに統合するように設計されたコネクション指向トンネリングアーキテクチャにより、USB4ファブリック全体の速度と性能を動的に共有できる」という特徴を備え、データ転送と電力供給機能を強化しています。[ 2 ]特に、USB4はThunderbolt 3プロトコル、すなわちPCI Express（PCIe、ロード/ストアインターフェース）とDisplayPort（ディスプレイインターフェース）のトンネリングをサポートしています。USB4はホスト間インターフェースも追加しています。[ 2 ]

各仕様のサブバージョンは、 USB 1.0/1.1の1.5および12 Mbit/s半二重からUSB4 2.0の80 Gbit/s全二重まで、異なる信号速度をサポートしています。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 2 ] USBは周辺機器にも電力を供給します。最新バージョンの規格では、USB Power Delivery (USB-PD) Rev. V3.1で定義されているように、バッテリー充電と最大240ワットを必要とするデバイスへの電力供給制限が拡張されています。[ 8 ]長年にわたり、USB(-PD)は携帯電話などの多くのモバイルデバイスの標準的な電源および充電形式として採用されており、専用充電器の必要性を減らしています。[ 9 ]

概要

USBは、データ交換と電力供給の両方を目的として、パーソナルコンピュータと周辺機器の接続を標準化するために設計されました。シリアルポートやパラレルポートといったインターフェースをほぼ置き換え、様々なデバイスで広く普及しています。USBで接続される周辺機器には、コンピュータのキーボードやマウス、ビデオカメラ、プリンター、ポータブルメディアプレーヤー、携帯型デジタル電話、ディスクドライブ、ネットワークアダプタなどがあります。

USBコネクタは、ポータブルデバイス用の他のタイプの充電ケーブルに取って代わるようになってきています。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

USB コネクタ インターフェイスは、ホスト、ハブ、および周辺機器に見られるさまざまなレガシータイプ A (アップストリーム) およびタイプ B (ダウンストリーム) コネクタと、USB4 に唯一適用可能なコネクタとして多くのレガシー コネクタに取って代わる最新のタイプ C ( USB-C ) コネクタの 3 つのタイプに分類されます。

タイプAおよびタイプBコネクタには、標準、ミニ、マイクロのサイズがありました。標準フォーマットは最も大きく、主にデスクトップや大型の周辺機器に使用されました。ミニUSBコネクタ（ミニA、ミニB、ミニAB）はモバイルデバイス用に導入されましたが、より薄いマイクロUSBコネクタ（マイクロA、マイクロB、マイクロAB）にすぐに置き換えられました。タイプCコネクタ（USB-Cとも呼ばれます）はUSB専用ではなく、USBの唯一の現在の標準であり、USB4に必須であり、最新のディスプレイポートやサンダーボルトを含む他の標準でも必須です。リバーシブルで、USBを含むさまざまな機能とプロトコルをサポートできます。ハードウェアの種類（ホスト、周辺機器、ハブ）に応じて、一部は必須で、多くはオプションです。[ 13 ] [ 14 ]

USB仕様は下位互換性を提供しており、通常は信号速度、最大供給電力、その他の機能が低下します。USB 1.1仕様はUSB 1.0に代わるものです。USB 2.0仕様はUSB 1.0/1.1と下位互換性があります。USB 3.2仕様はUSB 2.0仕様を含みつつ、USB 3.1（およびUSB 3.0）に代わるものです。USB4はUSB 2.0バスを並行動作させつつ、USB 3.2を「機能的に」置き換えます。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 2 ]

USB 3.0 仕様では、SuperSpeed (別名SuperSpeed USB 、 SSとして販売) という新しいアーキテクチャとプロトコルが定義され、新しい信号コーディング方式 (8b/10b シンボル、5 Gbit/s、後にGen 1とも呼ばれる) 用の新しいレーンを含む、物理的に 5 つの追加ワイヤとピンを必要とする全二重データ転送を提供する一方で、USB 2.0 のアーキテクチャとプロトコルは保持され、USB 2.0 の下位互換性のために元の 4 つのピン/ワイヤが維持され、合計 9 つのワイヤ (コネクタ インターフェイスに 9 または 10 ピン、ID ピンは配線なし) になりました。

USB 3.1 仕様では、 SuperSpeedアーキテクチャとプロトコル ( SuperSpeed USB )を維持しながら、追加のSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコル (別名SuperSpeedPlus USB ) を備えた拡張 SuperSpeed システムが導入され、新しいコーディング スキーマ (128b/132b シンボル、10 Gbit/s、Gen 2とも呼ばれる) が追加され、しばらくの間S​​uperSpeed+ ( SS+ ) として販売されていました。

USB 3.2仕様[ 15 ]では、他の機能強化に加えて、拡張SuperSpeedシステムに2番目のレーンを追加したため、 SuperSpeedPlus USBシステム部分はGen 1×2、Gen 2×1、 Gen 2×2の動作モードを実装しています。 ただし、システムのSuperSpeed USB部分は、1レーンのGen 1×1動作モードを実装したままです。 そのため、2レーン動作、すなわちUSB 3.2 Gen 1× 2（10Gbit/s）とGen 2× 2（20Gbit/s）は、フル機能のUSB-Cでのみ可能です。 2023年現在、これらはあまり実装されていません。 ただし、Intelは第11世代SoCプロセッサモデルにこれらを含め始めましたが、Appleは提供しませんでした。 一方、USB 3.2 Gen 1(×1)（5Gbit/s）とGen 2(×1)（10Gbit/s）は、ここ数年かなり一般的になっています。

コネクタタイプのクイックリファレンス

USB接続は、レセプタクルとプラグの2つのコネクタを使用して行われます。図ではレセプタクルのみを示しています。

目的

ユニバーサルシリアルバスは、従来の標準またはアドホックな独自インターフェースと比較して、パーソナルコンピュータと携帯電話、コンピュータアクセサリ、モニタなどの周辺機器間のインターフェースを簡素化し、改善するために開発されました。[ 17 ]

コンピュータ ユーザーの観点から見ると、USB インターフェイスはいくつかの点で使いやすさを向上させます。

  • USBインターフェースは自己構成型であるため、ユーザーがデバイスの速度やデータ形式の設定を調整したり、割り込み、入出力アドレス、直接メモリアクセスチャネルを構成したりする必要がない。[ 18 ]
  • USB コネクタはホストで標準化されているため、どの周辺機器でも利用可能なほとんどのレセプタクルを使用できます。
  • USBは、周辺機器に経済的に追加できる処理能力を最大限に活用し、機器の自己管理を可能にします。そのため、USBデバイスにはユーザーが調整できるインターフェース設定がないことがよくあります。
  • USB インターフェイスはホットスワップ可能です(ホスト コンピュータをシャットダウンせずにデバイスを交換できます)。
  • 小型デバイスは USB インターフェースから直接電源を供給できるため、追加の電源ケーブルは不要です。
  • USB ロゴの使用はコンプライアンス テストを経た場合にのみ許可されるため、ユーザーは設定や構成を頻繁に操作しなくても、USB デバイスが期待どおりに動作することを確信できます。
  • USBインターフェースは一般的なエラーからの回復のためのプロトコルを定義しており、以前のインターフェースよりも信頼性が向上しています。[ 17 ]
  • USB規格に準拠したデバイスのインストールには、最小限の操作しか必要ありません。ユーザーが稼働中のコンピュータのポートにデバイスを接続すると、既存のデバイスドライバを使用してデバイスが完全に自動的に構成されるか、システムがユーザーにドライバの検索を促し、そのドライバが自動的にインストールおよび構成されます。

USB 規格は、ハードウェア メーカーやソフトウェア開発者にとっても、特に実装が比較的容易であるという点で、さまざまな利点をもたらします。

  • USB 規格により、新しい周辺機器に対する独自のインターフェースを開発する必要がなくなります。
  • USB インターフェースで利用できる幅広い転送速度は、キーボードやマウスからストリーミング ビデオ インターフェースに至るまで、さまざまなデバイスに適しています。
  • USB インターフェイスは、時間的に重要な機能に対して利用可能な最善の遅延を提供するように設計することも、システム リソースにほとんど影響を与えずに大量のデータをバックグラウンドで転送するように設定することもできます。
  • USBインターフェースは汎用化されており、1つのデバイスの1つの機能にのみ専用の信号線はありません。[ 17 ]

制限事項

すべての標準規格と同様に、USB の設計には複数の制限があります。

  • USBケーブルは、部屋や建物間の接続ではなく、同じテーブル上の周辺機器を接続することを想定した規格であるため、長さに制限があります。ただし、USBポートをゲートウェイに接続することで、遠く離れたデバイスにアクセスすることができます。
  • USB のデータ転送速度は、同時期にリリースされた他の相互接続 (イーサネットなど) よりも遅くなります。
  • USBは厳密なツリー型ネットワークトポロジと、周辺機器のアドレス指定のためのマスター/スレーブプロトコルを備えています。スレーブデバイスはホストを介さない限り相互に通信できず、2つのホストはUSBポートを介して直接通信することはできません。この制限は、USB On-The-Go、デュアルロールデバイス[ 19 ]、プロトコルブリッジによってある程度拡張可能です。
  • ホストは一度にすべての周辺機器に信号をブロードキャストすることはできません。各周辺機器は個別にアドレス指定する必要があります。
  • 一部のレガシーインターフェースとUSB間のコンバーターは存在しますが、レガシーハードウェアの完全な実装を提供していない場合があります。例えば、USB-パラレルポートコンバーターはプリンターでは問題なく動作しますが、データピンの双方向使用を必要とするスキャナーでは動作しません。

製品開発者にとって、USBを使用するには複雑なプロトコルの実装が必要であり、周辺機器に「インテリジェント」なコントローラが搭載されている必要があります。一般販売を目的としたUSBデバイスの開発者は、通常、USB IDを取得する必要があり、そのためにはUSB Implementers Forum（USB-IF）に料金を支払う必要があります。USB仕様を採用した製品の開発者は、USB-IFとの契約を締結する必要があります。製品にUSBロゴを使用するには、年会費と会員資格が必要です。[ 17 ]

歴史

大きな円は水平線の左端です。線は3つの枝に分かれ、円、三角形、四角形の記号で終わります。
基本的なUSBトライデントロゴ[ 20 ]

1995年にUSBの開発を開始した企業は7社ある：[ 21 ] Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC、Nortel。その目標は、PCの背面にある多数のコネクタを置き換え、既存のインタフェースの使いやすさの問題を解決し、USBに接続されるすべてのデバイスのソフトウェア構成を簡素化し、外部デバイスのデータ転送速度を向上させ、プラグアンドプレイ機能を可能にすることで、PCへの外部デバイスの接続を根本的に容易にすることだった。[ 22 ] 1979年のAtari SIOシリアルバス、8ビットAtariコンピュータ、1980年のIEEE-488から派生したCommodoreバス、そしてHewlett PackardのHP-ILバスの概念がこのアプローチの先駆けとなった。[ 23 ] [ 24 ]アップルが主導し、ソニー、パナソニック（松下）、LG、東芝、日立、キャノン、フィリップス エレクトロニクス、コンパック、トムソン、テキサス インスツルメンツが参加するコンソーシアムは、1986年からこのコンセプトをIEEE 1394ファイアワイヤ標準および特許プールとしてさらに発展させた。[ 25 ]ジョセフ・C・デキュアは、元々アタリ、その後コモドールに所属し、アタリSIO共通バスの設計者でもあったが、マイクロソフトでUSBプロジェクトに携わり、関連する米国特許の1つを取得した。[ 26 ]アジェイ・バットと彼のチーム[注 1 ]はインテルで標準の開発に取り組んだ。[ 27 ] [ 28 ] USBをサポートする最初の集積回路は1995年にインテルによって製造された。[ 29 ]

USB 1.x

ベーシックスピードUSBロゴ

1996年1月にリリースされたUSB 1.0は、1.5 Mbit/s（低帯域幅または低速）および12 Mbit/s（全速）の信号速度を規定していました。[ 30 ]タイミングと電力の制限により、延長ケーブルは使用できませんでした。1998年8月にUSB 1.1がリリースされるまで、市場に流通したUSBデバイスはほとんどありませんでした。USB 1.1は広く採用された最初のリビジョンであり、マイクロソフトが「レガシーフリーPC」と名付けたPCの誕生につながりました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

USB 1.0 および 1.1 では、標準のタイプ A またはタイプ B よりも小型のコネクタの設計は規定されていませんでした。多くの周辺機器に小型のタイプ B コネクタの設計が数多く見られましたが、小型コネクタを備えた周辺機器は、周辺機器側にプラグやレセプタクルがない固定接続として扱われていたため、USB 1.x規格への準拠が妨げられていました。USB 2.0 (リビジョン 1.01) で導入されるまで、小型のタイプ A コネクタは知られていませんでした。

USB 2.0

Hi-Speed USBロゴ

USB 2.0は2000年4月にリリースされ、 USB 1.xのフルスピード信号速度12Mビット/秒（理論上の最大データスループット1.2MByte/秒）に加えて、高速または高帯域幅と呼ばれる、より高い最大信号速度480Mビット/秒（理論上の最大データスループット53MByte/秒[ 34 ] ）が追加されました。 [ 35 ]

USB仕様の変更は、エンジニアリング変更通知（ECN）を通じて行われてきました。これらのECNの中で最も重要なものは、USB.orgから入手可能なUSB 2.0仕様パッケージに含まれています。[ 36 ]

  • Mini-AおよびMini-Bコネクタ
  • Micro-USBケーブルおよびコネクタ仕様1.01
  • InterChip USBサプリメント
  • On-The-Go Supplement 1.3 USB On-The-Goは、別のUSBホストを必要とせずに2つのUSBデバイスが相互に通信することを可能にします。
  • バッテリー充電仕様 1.1専用充電器、バッテリー切れのデバイスに対するホスト充電器の動作のサポートを追加
  • バッテリー充電仕様1.2：[ 37 ]未設定デバイスの充電ポートで1.5Aの電流を増加し、最大1.5Aの電流で高速通信を可能にする。
  • スリープ電源状態を追加するリンク電源管理補遺ECN

USB 3.x

廃止されたSuperSpeed USBロゴ

USB 3.0仕様は2008年11月12日にリリースされ、その管理はUSB 3.0プロモーターグループからUSB実装者フォーラム（USB-IF）に移管され、2008年11月17日のSuperSpeed USB開発者会議で発表されました。[ 38 ]

USB 3.0では、 SuperSpeedと呼ばれる新しいアーキテクチャとプロトコルが追加され、下位互換性のあるプラグ、レセプタクル、ケーブルが付属しています。SuperSpeedプラグとレセプタクルは、標準規格のレセプタクルに独自のロゴと青いインサートで識別されます。

SuperSpeedアーキテクチャは、既存の3つの動作モードに加えて、5.0 Gbit/sの速度で動作するモードを提供します。その効率は、物理的なシンボルエンコーディングやリンクレベルのオーバーヘッドなど、いくつかの要因に依存します。8b /10bエンコーディングで5 Gbit/sの信号速度では、各バイトの送信に10ビットが必要なので、生のスループットは500 MB/sです。フロー制御、パケットフレーミング、プロトコルのオーバーヘッドを考慮すると、生のスループットの約3分の2、つまり330 MB/sをアプリケーションに送信するのが現実的です。[ 39 ]：4–19 SuperSpeedのアーキテクチャは全二重です。以前の実装であるUSB 1.0-2.0はすべて半二重で、ホストによって調停されていました。[ 40 ]

低電力デバイスと高電力デバイスはこの規格でも動作しますが、SuperSpeedを実装したデバイスは150mAから900mAまで150mAずつ段階的に電流を増加させることができます。[ 39 ]：9–9

USB 3.0 ではUSB Attached SCSI Protocol (UASP)も導入され、これは一般に BOT (Bulk-Only-Transfer) プロトコルよりも高速な転送速度を実現します。

USB 3.1、[ 5 ]は2013年7月にリリースされました。まず、USB 3.0のSuperSpeedアーキテクチャとプロトコルを保持し、その動作モードは新たにUSB 3.1 Gen 1（以前はUSB 3.0と呼ばれていました）と命名されました[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] 。次に、 USB 3.1 Gen 2と呼ばれる2つ目の動作モードを備えた、まったく新しいSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコルを導入しました（USB-IFの推奨に反して、 SuperSpeed+ USBとして販売されることもあります）。これにより、最大信号速度が10 Gbit/sに倍増し（後にSuperSpeed USB 10Gbpsとして販売され、その後単にUSB 10Gbpsとして販売される）、エンコード方式を128b/132bに変更することで、ラインエンコードのオーバーヘッドをわずか3％に削減しました。[ 41 ] [ 44 ]

2017年9月にリリースされたUSB 3.2 [ 15 ]は、既存のUSB 3.1 SuperSpeedおよびSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコル、およびそれぞれの動作モードを保持していますが、信号速度がそれぞれ10 Gbit/sと20 Gbit/s（生データ速度は1212 MB/sと2424 MB/s）の2つの追加のSuperSpeedPlus動作モード（USB 3.2 Gen 1×2とUSB 3.2 Gen 2×2）を導入しています。帯域幅の拡大は、すべてのフル機能USB-Cファブリック（関連するすべてのデバイス、ハブ、ケーブル、ホスト）に含まれる追加のワイヤを2レーンで動作させることによって実現されています。[ 45 ]

命名規則

USB 3.2仕様から、USB-IFは新しい命名方式を導入しました。[ 46 ]企業が異なる動作モードをブランド化できるように、USB-IFは5、10、20Gbit/sの機能をそれぞれSuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps、SuperSpeed USB 20Gbpsとしてブランド化することを推奨しました。[ 47 ]

2023年には、再び「SuperSpeed」が削除され、 [ 48 ] USB 5Gbps、USB 10Gbps、USB 20Gbpsに置き換えられました。パッケージとポートのロゴも新しくなりました。[ 49 ]

USB4

USB4仕様（バージョン1.0）は2019年8月29日にリリースされました。これはThunderbolt 3プロトコルに基づいており、 USB-C経由で20および40Gbit/sモードを定義し、 USB 3.2、USB 2.0、PCIe 、およびDisplayPortプロトコルのトンネリングを可能にします。Thunderbolt 3互換性はUSB4ホスト/デバイスではオプションです。[ 50 ]

廃止された認定USB4ロゴ

USB4バージョン2.0（2022年9月1日発表）では、新しい物理層とより高いデータレートが追加されます。双方向最大80Gbit/s、そしてビデオを多用するユースケース向けに120/40Gbit/s（ホスト→デバイス / デバイス→ホスト）をサポートする非対称モードがサポートされます。これはPAM3シグナリングと、多くの場合既存のパッシブ「40Gbit/s」USB-Cケーブルを使用して実現されます。また、新たに80Gbit/sアクティブケーブルのカテゴリも定義されています。バージョン2.0では、トンネリングがDisplayPort 2.1およびPCIe 4.0と整合するように更新され、USB4 1.0、USB 3.2/2.0、Thunderbolt 3との下位互換性が維持されています。[ 51 ] [ 52 ] 2023年以降、USB-IFは、マーケティングおよび認証リストで「USB4 v1/v2」に代えて、リンク速度を反映した消費者向け製品名（例：USB 40Gbps、USB 80Gbps）を推奨しています。[ 53 ]

2022年9月の命名計画

2022 年 9 月に導入された USB 命名スキームの概要(USB 仕様が誤ってマーケティング名として使用されることがあるため、USB 仕様とマーケティング名が混在して表示されています。)

これまでの混乱を招く命名規則のため、USB-IFは再度変更を決定しました。2022年9月2日以降、マーケティング名称は「USB  x Gbps」という形式（xはGbit/s単位の転送速度）に従います。[ 54 ]変更後の名称とロゴの概要は、隣の表をご覧ください。

動作モード USB 3.2 Gen 2×2 と USB4 Gen 2×2、または USB 3.2 Gen 2×1 と USB4 Gen 2×1 は互換性がなく、交換できません。関係するすべてのコントローラーは同じモードで動作する必要があります。

バージョン履歴

リリースバージョン

システム設計

USBシステムは、1つ以上のダウンストリーム対向ポート（DFP） [ 63 ]を持つホストと複数の周辺機器で構成され、階層型スタートポロジを形成します。追加のUSBハブを含めることができ、最大5層まで可能です。USBホストは、それぞれ1つ以上のポートを持つ複数のコントローラを持つことができます。最大127台のデバイスを1つのホストコントローラに接続できます。[ 64 ] [ 39 ]：8～29台の USBデバイスがハブを介して直列に接続されます。ホストコントローラに組み込まれたハブはルートハブと呼ばれます。

USBデバイスは、デバイス機能と呼ばれる複数の論理サブデバイスで構成される場合があります。複合デバイスは、例えばウェブカメラ（ビデオデバイス機能）と内蔵マイク（オーディオデバイス機能）のように、複数の機能を提供する場合があります。これとは別に、複合デバイスと呼ばれるデバイスもあります。複合デバイスでは、ホストが各論理デバイスに個別のアドレスを割り当て、すべての論理デバイスが物理USBケーブルに接続された内蔵ハブに接続されます。

図：デバイス内には複数のエンドポイントがあり、それぞれが論理パイプを介してホストコントローラーに接続されています。各パイプ内のデータは一方向に流れますが、ホストコントローラーとの間ではデータが混在しています。
USB エンドポイントは周辺機器上に存在します。ホストへのチャネルはパイプと呼ばれます。

USBデバイスの通信は、パイプ（論理チャネル）に基づいています。パイプは、ホストコントローラをデバイス内の論理エンティティ（エンドポイント）に接続します。パイプはエンドポイントに対応するため、これらの用語は互換的に使用されることがあります。各USBデバイスは最大32個のエンドポイント（入力16個と出力16個）を持つことができますが、これほど多くのエンドポイントを持つことは稀です。エンドポイントは、初期化（物理接続後の列挙と呼ばれる期間）中にデバイスによって定義され、番号が付けられるため、比較的永続的です。一方、パイプは開閉可能です。

パイプには、ストリームとメッセージの 2 種類があります。

  • メッセージパイプは双方向で、制御転送に使用されます。メッセージパイプは通常、デバイスへの短く単純なコマンドや、デバイスからのステータス応答に使用され、例えばバス制御パイプ番号0で使用されます。
  • ストリームパイプは、単方向エンドポイントに接続された単方向パイプであり、アイソクロナス、 [ 65 ]割り込み、またはバルク転送を使用してデータを転送します。
    アイソクロナス転送
    一定のデータレートが保証されている（固定帯域幅のストリーミングデータの場合）が、データ損失の可能性がある（リアルタイムオーディオやビデオなど）
    割り込み転送
    ポインティングデバイス、マウス、キーボードなど、保証された素早い応答（制限された遅延）を必要とするデバイス
    一括送金
    残りの利用可能な帯域幅をすべて使用する散発的な大規模転送（帯域幅や遅延は保証されない）（例：ファイル転送）

ホストがデータ転送を開始すると、(device_address, endpoint_number)のタプルで指定されたエンドポイントを含む TOKEN パケットを送信します。転送がホストからエンドポイントへの場合、ホストは目的のデバイス アドレスとエンドポイント番号を含む OUT パケット (TOKEN パケットの特殊化) を送信します。データ転送がデバイスからホストへの場合、ホストは代わりに IN パケットを送信します。宛先エンドポイントが単方向エンドポイントであり、製造元が指定した方向が TOKEN パケットと一致しない場合 (例: 製造元が指定した方向が IN であるのに TOKEN パケットが OUT パケットである場合)、TOKEN パケットは無視されます。それ以外の場合、TOKEN パケットは受け入れられ、データ トランザクションを開始できます。一方、双方向エンドポイントは IN パケットと OUT パケットの両方を受け入れます。

幅が高さの2倍の長方形の開口部。開口部には金属製の縁があり、開口部内には上面と平行に平らな長方形のバーが通っています。
コンピュータのフロントパネルにある 2 つの USB 3.0 標準 A レセプタクル (左) と 2 つの USB 2.0 標準 A レセプタクル (右)

エンドポイントはインターフェースにグループ化され、各インターフェースは単一のデバイス機能に関連付けられます。ただし、エンドポイント0は例外です。これはデバイス構成に使用され、どのインターフェースにも関連付けられません。独立して制御されるインターフェースで構成される単一のデバイス機能は、複合デバイスと呼ばれます。ホストは機能にデバイスアドレスのみを割り当てるため、複合デバイスは単一のデバイスアドレスしか持ちません。

USBデバイスがUSBホストに初めて接続されると、USBデバイスの列挙プロセスが開始されます。列挙は、USBデバイスにリセット信号を送信することで開始されます。USBデバイスの信号レートは、リセット信号中に決定されます。リセット後、USBデバイスの情報はホストによって読み取られ、デバイスには固有の7ビットアドレスが割り当てられます。デバイスがホストによってサポートされている場合、デバイスとの通信に必要なデバイスドライバがロードされ、デバイスは構成済み状態に設定されます。USBホストが再起動されると、接続されているすべてのデバイスに対して列挙プロセスが繰り返されます。

ホストコントローラはデバイスへのトラフィックフローを制御するため、USBデバイスはホストコントローラからの明示的な要求がない限り、バス上でデータを転送できません。USB 2.0では、ホストコントローラは通常ラウンドロビン方式でバス上のトラフィックをポーリングします。各USBポートのスループットは、USBポートまたはポートに接続されたUSBデバイスのどちらか遅い方の速度によって決まります。

高速USB 2.0ハブには、高速USB 2.0バスとフルスピードおよび低速バス間の変換を行うトランザクショントランスレータと呼ばれるデバイスが搭載されています。ハブごと、またはポートごとに1つのトランスレータが搭載されている場合があります。

USB 3.0ホストにはそれぞれ2つの独立したコントローラが搭載されているため、USB 3.0デバイスは、ホストに接続されているUSB 2.0以前のデバイスに関係なく、USB 3.0の信号速度で送受信を行います。以前のデバイスの動作信号速度は、従来の方法で設定されます。

デバイスクラス

USBデバイスの機能は、USBホストに送信されるクラスコードによって定義されます。これにより、ホストはデバイス用のソフトウェアモジュールをロードし、異なるメーカーの新しいデバイスをサポートできるようになります。

デバイスクラスには以下が含まれる: [ 66 ]

USBマスストレージ/USBドライブ

USB-Aタイプのコネクタを備えた初期のUSB大容量記憶装置（フラッシュドライブ）
コンピュータに接続されたUSB 3.0アダプタに接続されたM.2 （2242）ソリッドステートドライブ（SSD ）

USBマスストレージデバイスクラス（MSCまたはUMS）は、ストレージデバイスへの接続を標準化します。当初は磁気ドライブと光学ドライブを対象としていましたが、フラッシュドライブとSDカードリーダーのサポートにも拡張されました。USBアダプタを使用して書き込みロックされたSDカードを起動できる機能は、起動メディアの整合性と破損のない、元の状態を維持する上で特に有利です。

2005年初頭以降、ほとんどのパーソナルコンピュータはUSB大容量ストレージデバイスから起動できますが、USBはコンピュータの内蔵ストレージのプライマリバスとして想定されていません。しかし、USBにはホットスワップが可能という利点があり、様々なドライブを含むモバイル周辺機器に便利です。

いくつかのメーカーが、外付けポータブルUSBハードディスクドライブ、またはディスクドライブ用の空ケースを提供しています。これらは内蔵ドライブに匹敵するパフォーマンスを提供しますが、接続できるUSBデバイスの数と種類、およびUSBインターフェースの上限によって制限されます。外付けドライブ接続の競合規格としては、eSATA、ExpressCard、FireWire（IEEE 1394）、そして最近ではThunderboltなどがあります。

USB大容量記憶装置のもう一つの用途は、ソフトウェアアプリケーション（WebブラウザやVoIPクライアントなど）をホストコンピュータにインストールすることなく、ポータブルに実行できることである。[ 70 ] [ 71 ]

メディア転送プロトコル

メディア転送プロトコル(MTP) は、USB 大容量ストレージよりも高いレベルのデバイスのファイルシステムへのアクセス (ディスクブロックではなくファイルレベル) をMicrosoftが実現するために設計されました。オプションのDRM機能もあります。MTP はポータブル メディア プレーヤー用に設計されましたが、 Android オペレーティング システムのバージョン 4.1 Jelly Bean および Windows Phone 8 の主要なストレージ アクセス プロトコルとして採用されています(Windows Phone 7 デバイスは、MTP の進化形である Zune プロトコルを使用していました)。その主な理由は、MTP は、UMS のようにストレージ デバイスへの排他的アクセスを必要としないため、Android プログラムがコンピューターに接続されている間にストレージを要求した場合に発生する可能性のある問題が軽減されるためです。主な欠点は、MTP が Windows オペレーティング システム以外では十分にサポートされていないことです。

ヒューマンインターフェースデバイス

USBマウスやキーボードは、小型のUSB-PS/2変換アダプタを使用すれば、PS/2ポートを備えた古いコンピュータでも使用できます。デュアルプロトコル対応のマウスやキーボードの場合は、ロジック回路を搭載していないパッシブアダプタを使用できます。キーボードやマウスのUSBハードウェアは、USBポートとPS/2ポートのどちらに接続されているかを検出し、適切なプロトコルで通信するように設計されています。USBキーボードとマウス（通常はそれぞれ1台ずつ）をPS/2ポートに接続するアクティブコンバータも存在します。[ 72 ]

デバイスファームウェアのアップグレードメカニズム

デバイスファームウェアアップグレード（DFU）は、 USBデバイスのファームウェアをメーカーが提供する改良版にアップグレードするための汎用的なメカニズムであり、例えば、ファームウェアのバグ修正を適用する手段を提供します。ファームウェアアップグレード中、USBデバイスは動作モードを変更し、実質的にPROMプログラマーになります。あらゆるクラスのUSBデバイスは、公式のDFU仕様に従うことでこの機能を実装できます。これにより、DFU対応のホストツールを使用してデバイスを更新できます。[ 69 ] [ 73 ] [ 74 ]

DFUは、USBブートローダ機能を内蔵したマイクロコントローラのフラッシュメモリプログラミングプロトコルとして使用されることがあります。 [ 75 ]

オーディオストリーミング

USBデバイスワーキンググループは、オーディオストリーミングの仕様を策定し、マイク、スピーカー、ヘッドセット、電話、楽器などのオーディオクラスの用途向けに特定の標準が開発・実装されています。ワーキンググループは、オーディオデバイス仕様の4つのバージョンを公開しています。[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] USBオーディオ1.0、2.0、3.0、4.0（「UAC」[ 79 ]または「ADC」と呼ばれます）。[ 80 ]

UAC 3.0は主にポータブルデバイス向けの改良を導入しており、データのバーストや低電力モードの頻繁化による電力使用量の削減、デバイスのさまざまなコンポーネントの電源ドメインによる未使用時のシャットダウンなどが可能になっています。[ 81 ]

UAC 2.0では、フルスピードに加えてハイスピードUSBのサポートが導入され、マルチチャンネルインターフェースの帯域幅の拡大、より高いサンプルレート、[ 82 ]より低い固有のレイテンシー、[ 83 ] [ 79 ]同期モードとアダプティブモードでのタイミング解像度の8倍の向上が可能になりました。[ 79 ] UAC2ではクロックドメインの概念も導入され、どの入力端末と出力端子が同じソースからクロックを取得しているかに関する情報がホストに提供されるようになりました。また、DSDなどのオーディオエンコード、オーディオエフェクト、チャンネルクラスタリング、ユーザーコントロール、デバイスの説明のサポートも改善されました。[ 79 ] [ 84 ]

UAC 1.0デバイスは、クロスプラットフォームのドライバーレス互換性のため、依然として一般的ですが、[ 82 ]また、MicrosoftがUAC 2.0の公開後10年以上実装できず、2017年3月20日のCreators UpdateでようやくWindows 10にサポートが追加されたことが原因でもあります。 [ 85 ] [ 86 ] [ 84 ] UAC 2.0はmacOS、iOS、Linuxでもサポートされていますが、[ 79 ] AndroidはUAC 1.0仕様のサブセットのみを実装しています。[ 87 ]

USBは3種類のアイソクロナス（固定帯域幅）同期方式を提供しており、[ 88 ]これらはすべてオーディオデバイスで使用されている。[ 89 ]

  • 非同期 - ADC または DAC はホスト コンピュータのクロックとまったく同期されず、デバイスのローカルなフリーランニング クロックで動作します。
  • 同期 — デバイスのクロックはUSBのフレーム開始信号（SOF）またはバスインターバル信号に同期します。例えば、11.2896MHzのクロックを1kHzのSOF信号に同期させる必要があり、これは大きな周波数逓倍となります。[ 90 ] [ 91 ]
  • 適応型 - デバイスのクロックはホストからフレームごとに送信されるデータ量に同期されます[ 92 ]

USB仕様では当初、非同期モードは「低価格スピーカー」、アダプティブモードは「高級デジタルスピーカー」で使用されると説明されていたが、[ 93 ]ハイファイの世界ではその逆の認識があり、非同期モードは機能として宣伝され、アダプティブ/同期モードは悪い評判がある。[ 94 ] [ 95 ] [ 87 ]実際には、エンジニアリングの品質とアプリケーションに応じて、すべてのタイプが高品質にも低品質にもなり得る。[ 91 ] [ 79 ] [ 96 ]非同期には、コンピュータのクロックから切り離されるという利点があるが、複数のソースを組み合わせるときにサンプルレートの変換が必要になるという欠点がある。

コネクタ

USB委員会が規定するコネクタは、USBの根底にある多くの目標をサポートするものであり、コンピュータ業界がこれまで使用してきた多くのコネクタから得られた教訓を反映しています。ホストまたはデバイスに取り付けられたメスコネクタはレセプタクルと呼ばれ、ケーブルに接続されたオスコネクタはプラグと呼ばれます。[ 39 ] : 2-5–2-6 公式USB仕様書では、プラグを表す用語として「オス」、レセプタクルを表す用語として「メス」が定期的に定義されています。 [ 97 ]

USBタイプAプラグ
USB標準Aプラグは、かつては最も一般的なタイプのUSBコネクタでしたが、現在では多くのレガシータイプのUSBコネクタの1つとなっています。

この設計は、USBプラグをレセプタクルに誤って挿入することを困難にすることを目的としています。USB規格では、ユーザーが正しい向きを認識できるように、ケーブルプラグとレセプタクルにマークを付けることが義務付けられています。[ 39 ]しかし、USB-Cプラグはリバーシブルです。USBケーブルと小型USBデバイスは、一部のコネクタのようにネジ、クリップ、サムターンを使用せず、レセプタクルのグリップ力によって固定されます。

USB Micro-B（左）とその前身であるUSB Mini-B（右）。USB Type-Cが登場するまでは、小型デバイスでよく使用されていました。

AコネクタとBコネクタを区別したのは、USB 本来の方向性を強制するためです。つまり、単一のホストにはタイプ A レセプタクルがあり、各周辺機器にはタイプ B レセプタクルが 1 つあります。ハブは、複数のダウンストリーム向けタイプ A レセプタクルを提供し、単一のタイプ B レセプタクル (またはタイプ A プラグ付きのキャプティブ ケーブル) を介してホストに接続します。ハブは、直接または 1 つ以上の追加ハブを介してホストに接続できます。タイプ C より前は、USB On-The-Goにより、スマートフォンなどのデバイスが、タイプ A とタイプ B の両方のプラグを受け入れる単一のタイプ AB レセプタクル (Micro-AB、2014 年に廃止、または Mini-AB、2007 年に廃止) でホストまたは周辺機器の役割を果たすことができました。

USB コネクタの種類は、仕様が進化するにつれて増加しました。最初の USB 仕様では、標準 A および標準 B のプラグとレセプタクルが規定されていました。これらは当初、単にタイプ Aおよびタイプ Bと呼ばれていましたが、ミニ コネクタや後のマイクロ コネクタと区別する必要が生じ、標準に改名されました。標準プラグのデータ コンタクトは、電源およびアース コンタクトに比べて奥まっているため、より繊細なデータ通信回路が接続される前にデバイスが安全に電気的に接続され、損傷を防止できます。デバイスによっては、データ接続の有無に応じて異なるモードで動作します。単純な電源にはデータ接続がなく、代わりにデータ コンタクトが短絡されますが、対応する USB デバイスであれば、標準の USB ケーブルを介して充電または操作できます。充電ケーブルは電源接続は提供しますが、データは提供しませんが、標準では少なくとも USB 2.0 のデータ接続機能が求められています。

ケーブル配線

香港で販売されているさまざまなUSBケーブル

USB 1.1規格では、デバイスがフルスピード（12Mbit/s）で動作する場合の標準ケーブルの最大長さは5メートル（16フィート5インチ）、デバイスが低速（1.5Mbit/s）で動作する場合の標準ケーブルの最大長さは3メートル（9フィート10インチ）と規定されています。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]

USB 2.0は、高速（480Mbit/s）で動作するデバイスに対して最大5メートル（16フィート5インチ）のケーブル長を規定しています。[ 100 ]

USB 3.0規格では、ケーブルの最大長を直接規定しておらず、すべてのケーブルが電気仕様を満たすことのみを要求しています。AWG 26の銅線を使用したケーブルの場合、実用 的な最大長は3メートル（9フィート10インチ）です。[ 101 ]

USBブリッジ「ケーブル」

2台のコンピュータ（ホスト）はUSB-Cケーブルで簡単に接続できますが、以前はType-Cホストを一般的なUSBケーブルで相互接続することはできませんでした。USBブリッジ「ケーブル」、つまりデータ転送ケーブルは、PC同士を直接接続できる市販のケーブルです。ブリッジ「ケーブル」は、接続された各ホストからUSB周辺機器として認識される電子機器であり、コンピュータ間のピアツーピア通信を可能にします。このようなUSBブリッジケーブルは、2台のコンピュータのUSBポートを介してファイルを転送するために使用されます。

MicrosoftによってWindows Easy Transferとして普及したこのMicrosoftユーティリティは、専用のUSBブリッジケーブルを使用して、以前のバージョンのWindowsを実行しているコンピューターから新しいバージョンのWindowsを実行しているコンピューターに個人ファイルと設定を転送します。Windows Easy Transferソフトウェアの使用においては、ブリッジケーブルはEasy Transferケーブルと呼ばれることもあります。

多くのUSBブリッジ/データ転送ケーブルは依然としてUSB 2.0ですが、USB 3.0転送ケーブルも数多く存在します。USB 3.0はUSB 2.0の10倍の速度を誇るにもかかわらず、USB 3.0転送ケーブルは設計上、2～3倍の速度しか出ません。

USB 3.0仕様では、2台のPCを接続するための電源供給のないA-Aクロスオーバーケーブルが導入されました。これはデータ転送用ではなく、診断用途を目的としています。

デュアルロールUSB接続

USB 3.1仕様で導入されたUSBデュアルロールデバイス機能により、USBブリッジケーブルの重要性は低下しました。最新の仕様では、USBはType-Cケーブルでシステムを直接接続するほとんどのシナリオをサポートしています。ただし、この機能が動作するには、接続されたシステムがロールスイッチをサポートしている必要があります。デュアルロール機能を使用するには、システム内に2つのコントローラーとロールコントローラーが必要です。これはタブレットやスマートフォンなどのモバイルプラットフォームでは期待できますが、デスクトップPCやノートパソコンではデュアルロールをサポートしていないことがよくあります。[ 102 ]

力

アップストリーム USB コネクタは、V_BUS ピンを介してダウンストリーム USB デバイスに公称 5 V DC の電力を供給します。

低電力デバイスと高電力デバイス

このセクションでは、Power-Delivery （USB-PD）以前のUSBの電力分配モデルについて説明します。PDを使用しないデバイスでは、USBはType-AおよびType-Bコネクタを介して最大4.5W、USB-Cコネクタを介して最大15Wを供給します。PD以前のUSB電源はすべて5Vで供給されます。

ホストがデバイスに電力を供給する場合、USBにはユニット負荷という概念があります。どのデバイスも1ユニットの電力を消費することができ、デバイスは段階的により多くの電力を要求することができます。ホストは要求された電力を供給する必要はなく、デバイスはネゴシエートされた電力よりも多くの電力を消費することはできません。

低電力デバイスは1ユニット以上の電力を消費できません。すべてのデバイスは、未構成の状態では低電力デバイスとして動作する必要があります。USB 2.0までのUSBデバイスではユニット負荷は100mA（または500mW）ですが、USB 3.0ではユニット負荷は150mA（750mW）と定義されています。フル機能のUSB-Cは、ユニット負荷250mA（または1250mW）の低電力デバイスをサポートできます。

高電力デバイス、例えば一般的な2.5インチハードディスクドライブなどは、1ユニット以上の電力を消費することがある。USB 2.0までは、ホストまたはハブが各デバイスに最大2.5W（100mAの5段階）の電力を供給でき、SuperSpeedデバイス（USB 3.x）では、ホストまたはハブが最大4.5W（150mAの6段階）の電力を供給できる。USB-Cは、より大きなユニット負荷（250mA、最大7.5W）でUSB 3.xのデュアルレーン動作を可能にする。[ 103 ] USB-Cは、USB BCの代わりにType-C Currentもサポートし、データ接続を必要とせずに簡単な方法で電力の可用性を知らせる。[ 104 ]

バッテリー充電モードを認識するために、専用充電ポートはD+端子とD-端子間に200Ω以下の抵抗を生じます。D+端子とD-端子間の抵抗が200Ω未満で短絡または短絡に近い状態にあるデータレーンは、充電速度が不定の専用充電ポート（DCP）であることを示します。[ 105 ] [ 106 ]

標準の USB のほかに、1990 年代に開発され、主にレジなどの POS 端末で使用されている PoweredUSBと呼ばれる独自の高出力システムがあります。

シグナリング

USB信号は、90Ω±15%の特性インピーダンスを持つツイストペアデータ線上の差動信号を使用して送信されます。[ 107 ] USB 2.0およびそれ以前の仕様では、半二重（HDx）で1つのペアが定義されています。USB 3.0以降の仕様では、USB 2.0互換性のために1つの専用ペアと、データ転送用に2つまたは4つのペアが定義されています。シングルレーン（×1）バリアントで全二重（FDx）を実現する2つのデータ線ペアには、少なくともSuperSpeed（SS）コネクタが必要です。2レーン（×2）バリアントで全二重を実現する4つのペアには、USB-Cコネクタが必要です。

USB4 Gen 4では4組すべての使用が必須ですが、非対称ペア構成も許可されています。[ 108 ]この場合、1組のデータ線ペアはアップストリームデータに使用され、他の3組はダウンストリームデータに使用されます。あるいはその逆も可能です。USB4 Gen 4は3レベルのパルス振幅変調を使用し、1ボーごとに1ビットの情報を提供します。12.8GHzの伝送周波数は25.6GBdの伝送速度に相当します[ 109 ]。また、11ビットから7ビットへの変換により、理論上の最大伝送速度は40.2Gbit/sをわずかに上回ります[ 110 ] 。

  1. ^ a b c d e f g h USB 2.0の実装
  2. ^ a b USB4はオプションでリード・ソロモン順方向誤り訂正（RS FEC）を使用できます。このモードでは、12×16B（128ビット）のシンボルが、それぞれのシンボルタイプを示す2B（12ビット＋4ビットの予約ビット）の同期ビットと4BのRS FECとともに組み立てられ、合計198Bブロック内の任意の場所において最大1Bのエラーを訂正できます。
  • 低速（LS）モードと全速（FS）モードでは、D+とD-で示される単一のデータ線ペアを半二重で使用します。伝送信号レベルは、論理ローレベルで0.0～0.3V、論理ハイレベルで2.8～3.6Vです。信号線は終端されていません。
  • 高速（HS）では、同じワイヤペアを使用しますが、電気的な規則が異なります。信号電圧は、ローレベルで-10～10mV 、論理ハイレベルで360～440mVと低く、データケーブルのインピーダンスに合わせて、45Ωのグランド終端または90Ωの差動終端を使用します。
  • SuperSpeed (SS) は、シールド付きツイストデータ線2組（およびほぼ互換性のある新しい拡張コネクタ）と、もう1本の接地線を追加します。これらは全二重SuperSpeed動作専用です。SuperSpeedリンクはUSB 2.0チャネルとは独立して動作し、接続時に優先されます。リンク構成はLFPS（低周波周期信号、約20MHz）を使用して行われ、電気的機能としては、送信側での電圧デエンファシスと、伝送線路における電気的損失を抑えるための受信側でのアダプティブリニアイコライゼーションが含まれ、これによりリンクトレーニングの概念が導入されます。
  • SuperSpeed+ (SS+)は、信号速度の向上 (Gen 2×1 モード) と/または USB-C の追加レーン (Gen 1×2 および Gen 2×2 モード) を備えた新しいコーディング スキームを使用します。

USB接続は、ホストまたはハブのA端（ダウンストリームポート（DFP））と、周辺機器またはハブのB端（アップストリームポート（UFP））の間で行われます。歴史的に、ホストにはType-Aポートのみ、周辺機器にはType-Bポートのみが搭載されており、互換性のあるケーブルにはType-AプラグとType-Bプラグがそれぞれ1つずつ搭載されていたことから、このことは明らかでした。

USB-C（Type-C）は、従来のType-AおよびType-Bコネクタをすべて置き換える単一のコネクタです。そのため、両側にUSB Type-Cポートを備えた機器を接続する場合、通常は機器の種類によってDFPとUFPが区別されます。最新のスマートフォンなど、一部の機器はDFPとUFPの両方の役割を果たすことができます。そのため、接続された機器は、どちらがホストでどちらが周辺機器であるかをネゴシエートします。

プロトコル層

USB通信では、データはパケットとして送信されます。まず、すべてのパケットはホストからルートハブ（場合によっては複数のハブ）を経由してデバイスに送信されます。これらのパケットの一部は、デバイスに応答パケットを送信するよう指示します。

取引

USB の基本的なトランザクションは次のとおりです。

  • OUTトランザクション
  • INトランザクション
  • SETUPトランザクション
  • 制御転送交換
ワイヤレスUSBロゴ

メディアに依存しないUSB

USBインプリメンターズフォーラムは、2015年7月29日にUSBプロトコルに基づくメディアアグノスティックUSB（MA-USB）v.1.0無線通信規格を発表しました。ワイヤレスUSBはケーブルに代わる技術であり、最大480Mビット/秒のデータレートを実現する超広帯域無線技術を採用しています。 [ 111 ]

USB-IFは、MA-USB仕様の初期基盤としてWiGig Serial Extension v1.2仕様を採用し、SuperSpeed USB（3.0および3.1）およびHi-Speed USB（USB 2.0）に準拠しています。MA-USBを使用するデバイスは、製品がUSB-IFの認証プログラムに合格した場合、「Powered by MA-USB」というブランド名が付けられます。[ 112 ]

インターチップUSB

InterChip USBは、通常のUSBに見られる従来のトランシーバーを省いたチップツーチップの変種です。HSIC物理層は、 USB 2.0と比較して消費電力を約50%、基板面積を約75%削減します。 [ 113 ]これは、 SPIやI2Cに代わる規格です。

USB-C

USB-C（正式にはUSB Type-C）は、新しいコネクタといくつかの新しい接続機能を定義した規格です。中でも、 USB-Cコネクタとケーブルを介して他のプロトコルを伝送できるオルタネートモードをサポートしています。これは、コンピューターモニターやテレビなどのディスプレイをUSB-C経由で接続できるDisplayPortやHDMIプロトコルをサポートするために一般的に使用されています。

その他のコネクタはUSB 3.2の2レーン動作（Gen 1×2およびGen 2×2）には対応していませんが、1レーン動作（Gen 1×1およびGen 2×1）には使用できます。[ 114 ]

DisplayLinkは、USB経由で複数のディスプレイをコンピュータに接続できる技術です。2006年頃に導入され、USB-CのAlternate Modeが登場する以前は、USB経由でディスプレイを接続する唯一の方法でした。これは独自の技術であり、USB Implementers Forumによって標準化されておらず、通常、コンピュータに 別途デバイスドライバーが必要です。

他の接続方法との比較

ファイアワイヤー（IEEE 1394）

当初、USBはFireWire（ IEEE 1394 ）技術を補完するものとして考えられていました。FireWireは、ディスクドライブ、オーディオインターフェース、ビデオ機器などの周辺機器を効率的に相互接続する高帯域幅シリアルバスとして設計されました。当初の設計では、USBははるかに低いデータレートで動作し、それほど高度なハードウェアも必要としませんでした。キーボードやポインティングデバイスなどの小型周辺機器に適していました。

FireWire と USB の最も重要な技術的な違いは次のとおりです。

  • USB ネットワークは階層型スタートポロジを使用し、IEEE 1394 ネットワークはツリートポロジを使用します。
  • USB 1.0、1.1、2.0は「speak-when-spoken-to」プロトコルを採用しています。これは、ホストが通信を明示的に要求した場合にのみ、各周辺機器がホストと通信することを意味します。USB 3.0では、デバイス側からホストへの通信が可能になります。FireWireデバイスは、ネットワークの状態に応じて、いつでも他のノードと通信できます。
  • USBネットワークは、ツリーの最上位に位置する単一のホストによってネットワークを制御します。すべての通信は、ホストと1つの周辺機器の間で行われます。FireWireネットワークでは、対応ノードであればどれでもネットワークを制御できます。
  • USB は 5  V の電源ラインで動作しますが、FireWire は 12 V を供給し、理論的には最大 30 V まで供給できます。
  • 標準的なUSBハブポートは、通常500mA/2.5Wの電流を供給できますが、ハブ以外のポートからは100mAしか供給できません。USB 3.0とUSB On-The-Goは1.8A/9.0W（バッテリー充電専用、フル帯域幅1.5A/7.5Wまたは高帯域幅900mA/4.5W）を供給します。一方、FireWireは理論上最大60ワットの電力を供給できますが、通常は10～20ワット程度です。

これらの違いやその他の違いは、2つのバスの設計目標が異なることを反映しています。USBはシンプルさと低コストを目指して設計されたのに対し、FireWireは特にオーディオやビデオなどの時間に敏感なアプリケーションで高性能を発揮するように設計されました。理論上の最大信号速度は似ていますが、実際の使用ではFireWire 400の方がUSB 2.0の高帯域幅よりも高速です。 [ 115 ]特に外付けハードドライブなどの高帯域幅での使用では高速です。[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]新しいFireWire 800規格はFireWire 400の2倍の速度で、理論上も実用上もUSB 2.0の高帯域幅よりも高速です。[ 120 ]ただし、FireWireの速度の利点はダイレクトメモリアクセス（DMA）などの低レベル技術に依存しており、これがDMA攻撃などのセキュリティ上の弱点を生み出しています。

USBとFireWireを実装するために使用されるチップセットとドライバーは、仕様で規定された帯域幅が実際にどれだけ達成されるか、および周辺機器との互換性に重要な影響を及ぼします。[ 121 ]

イーサネット

IEEE 802.3af、802.3at、802.3bt Power over Ethernet (PoE) 規格は、Powered USB よりも複雑な電力ネゴシエーション方式を規定しています。これらは 48 V  DCで動作し、最大 100 メートルのケーブルでより多くの電力 ( 802.3afでは最大 12.95 W 、802.3at (別名PoE+ )では最大 25.5 W、802.3bt (別名4PPoE )を供給できます。USB 2.0 では、最大ケーブル長 5 メートルで 2.5 W を供給できます。このため、PoE は、Voice over IP電話、セキュリティ カメラ、無線アクセス ポイント、建物内のその他のネットワーク デバイスで人気があります。ただし、距離が短く、電力需要が低い場合は、USB の方が PoE よりも安価です。

イーサネット規格では、ネットワーク接続されたデバイス（コンピュータ、電話など）とネットワークケーブルの間に、最大1500 V ACまたは2250 V DCの60秒間の電気的絶縁が求められています。[ 122 ] USBにはそのような要件はありません。USBはホストコンピュータに密接に関連する周辺機器向けに設計されており、実際には周辺機器とホストのグランドを接続しているからです。そのため、ケーブルモデムやDSLモデムなどの周辺機器が外部配線に接続され、特定の障害条件下では危険な電圧が発生する可能性がある場合、イーサネットはUSBに比べて安全性において大きな利点があります。[ 123 ] [ 124 ]

ミディ

MIDIデバイスのUSBデバイスクラス定義は、 USBを介して音楽楽器デジタルインターフェース（MIDI）音楽データを送信します。[ 125 ] MIDI機能は、最大16本の仮想MIDIケーブルを同時に使用できるように拡張されており、各ケーブルは通常のMIDI 16チャンネルとクロックを伝送できます。

USBは、低価格で物理的に近接したデバイスにおいては競争力があります。しかし、ケーブルが長いハイエンドデバイスにおいては、 Power over Ethernet（PoE）とMIDIプラグ規格が有利です。USBは両方のトランシーバーのグランド基準を接続するため、機器間でグランドループの問題を引き起こす可能性があります。一方、MIDIプラグ規格とEthernetは、500V以上の 絶縁を内蔵しています。

eSATA/eSATAp

eSATAコネクタは、外付けハードドライブやSSDへの接続を目的とした、より堅牢なSATAコネクタです。eSATAの転送速度（最大6Gbps）は、USB 3.0（最大5Gbps）やUSB 3.1（最大10Gbps）と同等です。eSATAで接続されたデバイスは通常のSATAデバイスとして認識され、内蔵ドライブと同等の性能と互換性を提供します。

eSATAは外部デバイスに電力を供給しません。これはUSBと比較してますます不利になっています。USB 3.0の4.5Wでは外付けハードドライブへの電力供給には不十分な場合もありますが、技術の進歩に伴い外付けドライブの電力消費量は徐々に減少しており、eSATAの優位性は薄れつつあります。eSATAp （ Power over eSATA、別名ESATA/USB）は、2009年に導入されたコネクタで、下位互換性のある新しいコネクタを使用して接続されたデバイスに電力を供給します。ノートパソコンでは、eSATApは通常2.5インチHDD/SSDに5Vのみを供給しますが、デスクトップワークステーションでは、3.5インチHDD/SSDや5.25インチ光学ドライブなどの大型デバイスに12Vを追加で供給できます。

eSATAp サポートは、マザーボードの SATA、電源、および USB リソースを接続するブラケットの形でデスクトップ マシンに追加できます。

eSATA は USB と同様にホットプラグをサポートしていますが、OS ドライバーやデバイス ファームウェアによって制限される場合があります。

落雷

Thunderboltは、 PCI ExpressとDisplayPortを統合した新しいシリアルデータインターフェースです。オリジナルのThunderbolt実装では、それぞれ10Gbit/sの転送速度を持つ2つのチャネルがあり、結果として総単方向帯域幅は20Gbit/sとなります。[ 126 ]

Thunderbolt 2はリンクアグリゲーションを使用して、2つの10Gbit/sチャネルを1つの双方向20Gbit/sチャネルに結合します。[ 127 ]

Thunderbolt 3とThunderbolt 4はUSB-Cを採用しています。[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ] Thunderbolt 3は2つの20 Gbit/s双方向物理チャネルを備えており、これらを集約することで1つの40 Gbit/s双方向論理チャネルとして機能します。Thunderbolt 3コントローラはUSB 3.1 Gen 2コントローラを組み込むことでUSBデバイスとの互換性を確保できます。また、DisplayPort Alternate ModeとDisplayPort over USB4 Fabricも提供できるため、Thunderbolt 3ポートの機能はUSB 3.1 Gen 2ポートのスーパーセットとなっています。

DisplayPort Alternate Mode 2.0：USB4（USB-Cが必要）では、ハブがUSB-C Alternate Mode経由でDisplayPort 2.0をサポートする必要があります。DisplayPort 2.0は、HDR10カラーで60Hzの8K解像度をサポートできます。[ 131 ] DisplayPort 2.0は最大80Gbit/sの速度でデータを伝送できます。これはUSBデータの2倍の速度です。これは、すべてのデータを一方向（モニター側）に送信するため、8本のデータ線を一度に使用できるためです。[ 131 ]

仕様がロイヤリティフリーとなり、Thunderboltプロトコルの管理がIntelからUSB Implementers Forumに移管された後、Thunderbolt 3はUSB4仕様に実質的に実装されました。Thunderbolt 3との互換性はオプションですが、USB4製品では推奨されています。[ 132 ]

相互運用性

USB データ信号を他の通信規格に変換する さまざまなプロトコル コンバータが利用可能です。

セキュリティ上の脅威

USB規格のプラグアンドプレイの性質上、ホストコンピュータは悪意のあるソフトウェアを含むUSBデバイスに対して脆弱です。フラッシュドライブのように見えるデバイスを作成し、接続するとキーボードを模倣して悪意のあるコマンドを入力することが可能です。例えば、Microsoft Windowsを実行しているコンピュータでは、デバイスは一定時間待機した後、PowerShellを開いてマルウェアスクリプトをダウンロードします。この攻撃はBadUSB攻撃と呼ばれます。[ 133 ] [ 134 ]

もう一つの悪質なデバイスはUSBキラーで、データラインに高電圧パルスを送り、接続されているものを破壊したり損傷したりします。[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]

Windows XPより前のバージョンのMicrosoft Windowsでは、WindowsはAutoRunを介して特定のデバイス上でスクリプト（存在する場合）を自動的に実行していました。その1つはUSB大容量記憶装置であり、悪意のあるソフトウェアが含まれている可能性があります。[ 138 ]

USBコントローラーをハッキングすることでシステムを完全に制御することが可能です。[ 139 ]

参照

USB

注記

  1. ^ Bhatt氏のIntelチームには、Bala Sudarshan Cadambi氏、Jeff Morriss氏、Shaun Knoll氏、Shelagh Callahan氏が含まれていました。Biljana Ognenova (2022年2月22日). 「プラグアンドプレイの王者：USBが世界を席巻した経緯」 allaboutcircuits.com . 2025年4月1日閲覧。

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