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ハードウエア(USB)

USB

ユニバーサル・シリアル・バス(英語: 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。

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USB 1.0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、レガシーポート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コンパック、ディジタル・イクイップメント・コーポレーション (DEC)、IBM、インテル、マイクロソフト、日本電気株式会社 (NEC)、ノーテルネットワークスの7社が合同で1994年に開発を行い、Windows 98において正式にサポートされたことで普及した。

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USB 2.0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)、ディジタル・イクイップメント・コーポレーション(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。

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。

 

USB 1.0

1996年1月発表。最大12 Mbps。

 

USB 1.1

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12 Mbps。

 

USB 2.0

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

480 Mbps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USB 2.0を同一の意味で使う場合があるが、これは誤用である。

USB 2.0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

USB-IFにより規格標準化が進められ、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、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5 Gbps(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、実際のデータ転送速度は4 Gbps = 500 MB/sが上限)となった。

ピンの数が標準では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。

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。

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ではポーリングが排除され、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5 Gbpsであり、PCI Express x1 (Gen2) の最大転送速度も5 Gbps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10 W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9 W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、USB 3.0が1ポート(もしくは2ポート)と残りがUSB 2.0ポートという組み合わせにされている理由は、

(1) 2009年の時点でUSB 3.0コントローラーを市場に供給できる唯一のメーカーであったルネサスのUSB 3.0コントローラが技術的に2ポートまでしか対応していないこと

(2) USB 3.0の要求する電力がUSB 2.0よりも高く、容量の大きな電源が必要になってくること

(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USB 3.0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。

ほどなくVIAなどの各製造メーカーもUSB 3.0に対応し、また4ポート対応のコントローラーも開発されるなどで、登場から5年後の2014年頃には特にポートの少ないノートパソコンではUSB 3.0への完全対応がなされた。

 

USB 3.1

2013年8月1日、USB 3.0 Promoter GroupはUSB 3.1規格の策定完了を発表した。

USB 3.1 gen 2モードはSuperSpeed+ USBで10 Gbpsの転送を可能とする。

SuperSpeed+ USB 10 Gbps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、5.0 Gbps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:LSIコーポレーション)、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。

 

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