USB

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ユニバーサル・シリアル・バス
認定されたUSB.svg
認定ロゴ
タイプ バス
生産履歴
デザイナー
設計 1996年1月; 26年前 (1996-01
生産 1996年5月以降[1]
置き換えられました シリアルポートパラレルポートゲームポートApple Desktop BusPS / 2ポート、およびFireWire(IEEE 1394)

ユニバーサルシリアルバスUSB)は、コンピュータ、周辺機器、およびその他のコンピュータ間の接続、通信、および電源(インターフェイス)のケーブル、コネクタ、およびプロトコルの仕様を確立する業界標準です。[2] 14種類のコネクタを含む多種多様なUSBハードウェアが存在し、そのうちUSB-Cが最新のものです。

1996年に最初にリリースされたUSB規格は、USB Implementers Forum(USB-IF)によって維持されています。USBの4世代は、USB 1. xUSB 2.0USB 3. x、およびUSB4です。[3]

概要

USBは、周辺機器とパーソナルコンピュータの接続を標準化して、電力との通信と電力供給の両方を行うように設計されています。シリアルポートパラレルポートなどのインターフェイスに大きく取って代わり、さまざまなデバイスで一般的になっています。USBを介して接続される周辺機器の例には、コンピューターのキーボードとマウス、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、モバイル(ポータブル)デジタル電話、ディスクドライブ、ネットワークアダプターなどがあります。

USBコネクタは、ポータブルデバイスの充電ケーブルとして他のタイプに取って代わりつつあります。

コネクタタイプクイックリファレンス

USB規格で利用可能なコネクタ
標準 USB 1.0
1996
USB 1.1
1998
USB 2.0
2001
USB2.0
改訂
USB 3.0
2008
USB 3.1
2013
USB 3.2
2017
USB4
2019
最大転送速度 12 Mbps 480 Mbps 5 Gbps 10 Gbps 20 Gbps 40 Gbps
タイプAコネクタ USBType-Aレセプタクル.svg USB 3.0Type-Aレセプタクルblue.svg 非推奨
タイプBコネクタ USBType-Bレセプタクル.svg USB 3.0Type-Bレセプタクルblue.svg 非推奨
USB-Cコネクタ 該当なし USBType-CレセプタクルPinout.svg
USB-C(拡大)
Mini-Aコネクタ 該当なし USBMini-Aレセプタクル.svg 非推奨
Mini-Bコネクタ 該当なし USBMini-Bレセプタクル.svg 非推奨
Mini-ABコネクタ 該当なし USBMini-ABレセプタクル.svg 非推奨
Micro-Aコネクタ 該当なし USB 3.0 Micro-A.svg 非推奨
Micro-Bコネクタ 該当なし USB 3.0Micro-Bレセプタクル.svg 非推奨
Micro-ABコネクタ 該当なし USBMicro-ABレセプタクル.svg USBマイクロABSuperSpeed.png 非推奨

目的

ユニバーサルシリアルバスは、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、モニターなどの周辺機器との間のインターフェイスを、既存の標準またはアドホックな専用インターフェイスと比較して簡素化および改善するために開発されました。[4]

コンピュータユーザーの観点から、USBインターフェイスはいくつかの方法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設定を速度やデータ形式に合わせて調整したり、割り込み、入出力アドレス、またはダイレクトメモリアクセスチャネルを構成したりする必要がありません。[5]
  • 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投入できる追加の処理能力を最大限に活用して、周辺機器を管理できるようにします。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イス設定がないことがよくあります。
  • USBインターフェースはホットスワップ可能です(ホストコンピューターを再起動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力を供給できるため、追加の電源ケーブルは必要ありません。
  • USBロゴの使用はコンプライアンステスト後にのみ許可されるため、ユーザーは、設定や構成を大幅に操作しなくても、USBデバイスが期待どおりに機能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回復するためのプロトコルを定義し、以前のインターフェースよりも信頼性を向上させます。[4]
  • USB規格に依存するデバイスをインストールする場合、オペレーターの操作は最小限で済みます。ユーザーが実行中のコンピューター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ーを使用して完全に自動的に構成するか、システムがユーザーにドライバーを見つけるように求め、ドライバーを自動的にインストールして構成します。

USB規格は、特に実装が比較的容易であるという点で、ハードウェアメーカーとソフトウェア開発者に複数の利点も提供します。

  • USB規格により、新しい周辺機器への独自のインターフェイスを開発する必要がなくなります。
  • USBインターフェイスから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イスに至るまでのデバイスに適しています。
  • USBインターフェースは、タイムクリティカルな機能に利用可能な最高のレイテンシー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バルクデータのバックグラウンド転送を実行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一般化されており、1つのデバイスの1つの機能のみに専用の信号線はありません。[4]

制限事項

すべての規格と同様に、USBにはその設計に複数の制限があります。

  • USBケーブルは、部屋や建物の間ではなく、同じ卓上にある周辺機器を対象としているため、長さが制限されています。ただし、USBポートは、離れたデバイスにアクセスするゲートウェイに接続できます。
  • USBデータ転送速度は、 100ギガビットイーサネットなどの他の相互接続よりも低速です
  • USBには、周辺機器をアドレス指定するための厳密なツリーネットワークトポロジとマスター/スレーブプロトコルがあります。これらのデバイスは、ホストを介する場合を除いて相互に対話できず、2つのホストはUSBポートを介して直接通信できません。この制限に対するいくつかの拡張は、USB On-The-Go in、Dual-Role-Devices [6]、およびプロトコルブリッジを介して可能です。
  • 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。それぞれを個別にアドレス指定する必要があります。
  • コンバーターは特定のレガシーインターフェイスとUSBの間に存在しますが、レガシーハードウェアの完全な実装を提供しない場合があります。たとえば、USB-パラレルポートコンバータはプリンタではうまく機能しますが、データピンの双方向使用を必要とするスキャナーでは機能しません。

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」なコントローラーがあることを意味します。公開販売を目的としたUSBデバイスの開発者は、通常、USB IDを取得する必要があります。これには、USB Implementations Forum(USB-IF)に料金を支払う必要があります。USB仕様を使用する製品の開発者は、USB-IFとの契約に署名する必要があります。製品でUSBロゴを使用するには、年会費と組織のメンバーシップが必要です。[4]

歴史

横線の左端に大きな円があります。 線は、円、三角形、正方形の記号で終わる3つの分岐に分岐します。
基本的なUSBトライデントロゴ[7]
USB440Gbpsトライデントロゴ
標準のUSB-AプラグのヘッドにあるUSBロゴ

7社のグループが1995年にUSBの開発を開始しました:[8] CompaqDECIBMIntelMicrosoftNEC、およびNortel目標は、PCの背面にある多数のコネクタを交換し、既存のインターフェイスの使いやすさの問題に対処し、USBに接続されたすべてのデバイスのソフトウェア構成を簡素化することで、外部デバイスをPCに接続するのを根本的に簡単にすることでした。外部デバイスおよびプラグアンドプレイ機能のデータ転送速度[9] Ajay Bhattと彼のチームは、Intelで標準に取り組みました。[10] [11]USBをサポートする最初の集積回路は1995年にIntelによって製造されました。 [12]

電気電子技術者協会(IEEE)のアメリカ人フェローであり、初期のAtari 8ビットゲームおよびコンピューターシステム(Atari VCS、Atari 400/800)の設計者の1人であるJoseph C. Decuirと、コモドールAmigaは、USB標準の基礎としてAtari8ビットコンピューターの通信実装であるAtariSIOに関する彼の研究を評価し、 [引用が必要]、彼は設計を支援し、特許を保持しています。[13]

2008年の時点で、約60億のUSBポートとインターフェイスが世界市場にあり、毎年約20億が販売されていました。[14]

USB 1.x

1996年1月にリリースされたUSB1.0は、1.5 Mbit / s(低帯域幅または低速)および12 Mbit / s(全速力)信号速度を指定しました。[15]タイミングと電力の制限により、延長ケーブルやパススルーモニターは使用できませんでした。1998年8月にUSB1.1がリリースされるまで、市場に出回ったUSBデバイスはほとんどありませんでした。USB1.1は、広く採用され、Microsoftが「レガシーフリーPC」と呼んだものにつながった最も初期のリビジョンでした。[16] [17] [18]

USB 1.0も1.1も、標準のタイプAまたはタイプBよりも小さいコネクタの設計を指定していません。小型化されたタイプBコネクタの多くの設計が多くの周辺機器に登場しましたが、USB 1.x標準への準拠は、テザー接続されているかのようにミニチュアコネクタ(つまり、周辺機器の端にプラグやレセプタクルがありません)。USB 2.0(リビジョン1.01)がコネクタを導入するまで、既知のミニチュアタイプAコネクタはありませんでした。

USB 2.0

Hi-SpeedUSBロゴ

USB 2.0は2000年4月にリリースされ、USB 1.xフルスピードシグナリングに加えて、高速または高帯域幅という名前の480 Mbit / s(最大理論データスループット53 MByte / s [19])のより高い最大シグナリングレートが追加されました。 12 Mbit / sの速度(最大理論データスループット1.2 MByte / s [20])。

USB仕様の変更は、エンジニアリング変更通知(ECN)を介して行われました。これらのECNの中で最も重要なものは、USB.orgから入手できるUSB2.0仕様パッケージに含まれています。[21]

  • Mini-AおよびMini-Bコネクタ
  • マイクロUSBケーブルおよびコネクタ仕様1.01
  • InterChipUSBサプリメント
  • On-The-Go Supplement 1.3 USB On-The-Goを使用すると、2つのUSBデバイスを個別のUSBホストを必要とせずに相互に通信できます。
  • バッテリー充電仕様1.1専用充電器のサポートが追加され、バッテリーが切れたデバイスのホスト充電器の動作
  • バッテリー充電仕様1.2[22]未構成のデバイスの充電ポートで1.5 Aの電流が増加し、最大1.5Aの電流で高速通信が可能になります
  • スリープ電源状態を追加するリンク電源管理補遺ECN
  • USB 2.0 VBUS Max Limitは、同時にリリースされたUSB Type-C仕様に合わせて、最大許容V_BUS電圧を5.25Vから5.50Vに引き上げました。

USB 3.x

SuperSpeedUSB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 PromoterGroupからUSBImplementers Forum(USB-IF)に移され、2008年11月17日にSuperSpeed USB DevelopersConferenceで発表されました。[23]

USB 3.0は、下位互換性のあるプラグ、レセプタクル、およびケーブルに関連するSuperSpeed転送モードを追加します。SuperSpeedプラグとレセプタクルは、標準フォーマットのレセプタクルに明確なロゴと青いインサートで識別されます。

SuperSpeedバスは、3つの既存の転送モードに加えて、5.0 Gbit / sの公称速度で転送モードを提供します。その効率は、物理シンボルのエンコードやリンクレベルのオーバーヘッドなどの多くの要因に依存します。8b / 10bエンコーディングの5Gbit / s信号速度では、各バイトの送信には10ビットが必要であるため、生のスループットは500MB /秒です。フロー制御、パケットフレーミング、およびプロトコルオーバーヘッドを考慮すると、400 MB / s(3.2 Gbit / s)以上がアプリケーションに送信するのが現実的です。[24] :4–19 通信はSuperSpeed転送モードでは全二重です。以前のモードは半二重であり、ホストによって調停されます。[25]

低電力デバイスと高電力デバイスはこの規格で動作し続けますが、SuperSpeedを使用するデバイスは、それぞれ150mAから900mAの増加した利用可能な電流を利用できます。[24] :9–9 

USB-A 3.1 Gen 1(以前はUSB 3.0と呼ばれていましたが、後にUSB 3.2 Gen 1x1に名前が変更されました)ポート

2013年7月にリリースされたUSB3.1には、2つのバリエーションがあります。最初のバージョンはUSB3.0のSuperSpeed転送モードを保持し、 USB 3.1 Gen 1[26] [27]とラベル付けされ、2番目のバージョンはUSB 3.1 Gen2のラベルで新しいSuperSpeed +転送モードを導入しますSuperSpeed +は、最大データ信号速度を2倍の10 Gbit / sに引き上げ、エンコード方式128b / 132bに変更することで、回線エンコードのオーバーヘッドをわずか3%に削減します。[26] [28]

2017年9月にリリースされたUSB3.2 [29]は、既存のUSB 3.1SuperSpeedおよびSuperSpeed +データモードを保持しますが、10および20 Gbit / s(1.25および2.5 GB / s)のデータレートでUSB-Cコネクタを介して2つの新しいSuperSpeed +転送モードを導入します)。帯域幅の増加は、USB-Cコネクタのフリップフロップ機能を目的とした既存のワイヤでのマルチレーン動作の結果です。[30]

USB 3.0では、UASPプロトコルも導入されました。これは、BOT(Bulk-Only-Transfer)プロトコルよりも一般的に高速な転送速度を提供します。

命名スキーム

USB 3.2標準から、USB-IFは新しい命名スキームを導入しました。[31]さまざまな転送モードのブランド化を支援するために、USB-IFは、5、10、および20 Gbit / s転送モードをそれぞれSuperSpeedUSB 5GbpsSuperSpeed USB 10Gbps、およびSuperSpeed USB20Gbpsとしてブランド化することを推奨しました[32]

USB-IFブランディング[33] ロゴ 転送モード 古い仕様 データレート 転送速度
SuperSpeed USB 5Gbps USB SuperSpeed 5 Gbps Trident Logo.svg USB 3.2 Gen1×1 USB 3.1 Gen 1、USB 3.0 5ギガビット/秒 500MB /秒
SuperSpeed USB 10Gbps USB SuperSpeed 10 Gbps Trident Logo.svg USB 3.2 Gen2×1 USB 3.1 Gen 2、USB 3.1 10ギガビット/秒 1.21 GB / s
SuperSpeed USB 20Gbps USB SuperSpeed 20 Gbps Trident Logo.svg USB 3.2 Gen2×2 20ギガビット/秒 2.42 GB / s

USB4

認定されたUSB440Gbpsロゴ

USB4仕様は、2019年8月29日にUSB ImplementationsForumによってリリースされました。[34]

USB4は、 Thunderbolt3プロトコルに基づいています。[35] 40 Gbit / sのスループットをサポートし、Thunderbolt 3と互換性があり、USB3.2およびUSB2.0との下位互換性があります。[36] [37]アーキテクチャは、単一の高速リンクを複数のエンドデバイスタイプと動的に共有する方法を定義します。これは、タイプおよびアプリケーションごとのデータ転送に最適です。

USB4仕様では、次のテクノロジーがUSB4でサポートされる必要があると規定されています。[34]

繋がり 必須 備考
ホスト ハブ 端末
USB 2.0(480 Mbit / s) はい はい はい 高速リンクの多重化を使用する他の機能とは異なり、USB 2.0 overUSB-Cは独自の差動ワイヤペアを利用します。
USB4 Gen2×2(20 Gbit / s) はい はい はい USB 3.0ラベルの付いたデバイスは、USB4ホストまたはハブを介してUSB3.0デバイスとして動作します。Gen 2x2のデバイス要件は、新しいUSB4ラベル付きデバイスにのみ適用されます。
USB4 Gen3×2(40 Gbit / s) 番号 はい 番号
DisplayPort はい はい 番号 この仕様では、ホストとハブがDisplayPort代替モードをサポートしている必要があります。
ホスト間通信 はい はい 該当なし 2つのピア間のLANのような接続。
PCI Express 番号 はい 番号 USB4のPCIExpress機能は、以前のバージョンのThunderbolt仕様の機能を複製します。
サンダーボルト3 番号 はい 番号 Thunderbolt3はUSB-Cケーブルを使用しています。USB4仕様では、ホストとデバイスが許可されており、Thunderbolt3代替モードを使用した標準との相互運用性をサポートするハブが必要です。
その他の代替モード 番号 番号 番号 USB4製品は、オプションでHDMIMHL、およびVirtualLink代替モードとの相互運用性を提供する場合があります。

CES 2020の期間中、USB-IFとIntelは、 Thunderbolt4製品としてすべてのオプション機能をサポートするUSB​​4製品を許可する意向を表明しました。USB4と互換性のある最初の製品は、IntelのTigerLakeシリーズとAMDのZen3シリーズのCPUであると予想ます2020年にリリース。

バージョン履歴

リリースバージョン

名前 発売日 最大転送速度 ノート
USB 0.7 1994年11月11日 プレリリース
USB 0.8 1994年12月 プレリリース
USB 0.9 1995年4月13日 フルスピード(12 Mbit / s) プレリリース
USB 0.99 1995年8月 プレリリース
USB 1.0-RC 1995年11月 リリース候補版
USB 1.0 1996年1月15日 フルスピード(12 Mbit / s)、

低速(1.5 Mbit / s)

USB 1.1 1998年8月
USB 2.0 2000年4月 高速(480 Mbit / s)
USB 3.0 2008年11月 SuperSpeed USB(5 Gbit / s) USB 3.1 Gen 1 [26]およびUSB3.2 Gen1×1 とも呼ばれます
USB 3.1 2013年7月 SuperSpeed + USB(10 Gbit / s) 新しいUSB3.1 Gen 2 [26]が含まれ、後の仕様ではUSB 3.2 Gen2×1とも呼ばれます
USB 3.2 2017年8月 SuperSpeed + USBデュアルレーン(20 Gbit / s) 新しいUSB3.2 Gen1×2およびGen2×2マルチリンクモードが含まれています[38] [検証に失敗しました]
USB4 2019年8月 40ギガビット/秒(2レーン) 新しいUSB4Gen 2×2(64b / 66bエンコーディング)およびGen 3×2(128b / 132bエンコーディング)モードが含まれ、USB3.x、DisplayPort 1.4a、PCIExpressトラフィックのトンネリングおよびホスト間転送用のUSB4ルーティングが導入されています、Thunderbolt3プロトコルに基づく

電力関連規格

リリース名 発売日 最大。パワー ノート
USBバッテリー充電Rev.1.0 2007-03-08 7.5 W(5 V、1.5 A)
USBバッテリー充電Rev.1.1 2009-04-15 7.5 W(5 V、1.5 A) 28ページの表5–2ですが、3.5項に制限があります。通常のUSB2.0の標準Aポートでは、1.5Aのみ。[39]
USBバッテリー充電Rev.1.2 2010-12-07 7.5 W(5 V、1.5 A) [40]
USB Power Delivery Rev. 1.0(V。1.0) 2012-07-05 100 W(20 V、5 A) バス電力(V BUSを介したFSKプロトコルの使用
USB Power Delivery Rev. 1.0(V。1.3) 2014-03-11 100 W(20 V、5 A)
USB Type-C Rev. 1.0 2014-08-11 15 W(5 V、3 A) 新しいコネクタとケーブルの仕様
USB Power Delivery Rev. 2.0(V。1.0) 2014-08-11 100 W(20 V、5 A) USB-Cケーブルの通信チャネル(CC)を介したBMCプロトコルの使用。
USB Type-C Rev.1.1 2015-04-03 15 W(5 V、3 A)
USB Power Delivery Rev. 2.0(V。1.1) 2015-05-07 100 W(20 V、5 A)
USB Type-C Rev. 1.2 2016-03-25 15 W(5 V、3 A)
USB Power Delivery Rev. 2.0(V。1.2) 2016-03-25 100 W(20 V、5 A)
USB Power Delivery Rev. 2.0(V。1.3) 2017-01-12 100 W(20 V、5 A)
USB Power Delivery Rev. 3.0(V。1.1) 2017-01-12 100 W(20 V、5 A)
USB Type-C Rev. 1.3 2017-07-14 15 W(5 V、3 A)
USB Power Delivery Rev. 3.0(V。1.2) 2018-06-21 100 W(20 V、5 A)
USB Type-C Rev. 1.4 2019-03-29 15 W(5 V、3 A)
USB Type-C Rev. 2.0 2019-08-29 15 W(5 V、3 A) USB Type-Cコネクタおよびケーブルを介したUSB4の有効化。
USB Power Delivery Rev. 3.0(V。2.0) 2019-08-29 100 W(20 V、5 A) [41]
USB Power Delivery Rev. 3.1(V。1.0) 2021-05-24 240 W(48 V、5 A)
USB Type-C Rev.2.1 2021-05-25 15 W(5 V、3 A) [42]
USB Power Delivery Rev. 3.1(V。1.1) 2021-07-06 240 W(48 V、5 A) [43]
USB Power Delivery Rev. 3.1(V。1.2) 2021-10-26 240 W(48 V、5 A) 2021年10月までの正誤表を含む[44]

このバージョンには、次のECNが組み込まれています。

  • 再試行の使用を明確にする
  • バッテリー機能
  • FRSタイミングの問題
  • PPSのべき乗則の説明
  • EPR AVSAPDOのピーク電流サポート

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ポートを備えた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ハブが含まれている場合があり、最大5層が可能です。USBホストには複数のコントローラーがあり、それぞれに1つ以上のポートがあります。最大127台のデバイスを単一のホストコントローラーに接続できます。[45] [24] :8〜29 個のUSBデバイスがハブを介して直列にリンクされています。ホストコントローラーに組み込まれているハブは、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ている場合があります複合デバイスは、いくつかの機能を提供する場合があります。たとえば、マイクを内蔵したWebカメラ(ビデオデバイス機能)(オーディオデバイス機能)などです。これに代わる方法は、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ケーブルに接続する組み込みハブに接続する複合デバイスです

図:デバイスの内部にはいくつかのエンドポイントがあり、それぞれが論理パイプによってホストコントローラーに接続されています。 各パイプ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混合が発生します。
USBエンドポイントは接続されたデバイス上にあります。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ーからデバイス内の論理エンティティへの接続であり、エンドポイントと呼ばれます。パイプはエンドポイントに対応しているため、これらの用語は同じ意味で使用されることがあります。各USBデバイスには最大32個のエンドポイント(16入力16出力)を含めることができますが、これほど多くのエンドポイントを持つことはめったにありません。エンドポイントは、初期化中(「列挙」と呼ばれる物理接続後の期間)にデバイスによって定義および番号付けされるため、比較的永続的ですが、パイプは開閉できます。

パイプには、ストリームとメッセージの2つのタイプがあります。

  • メッセージパイプは双方向であり、制御転送に使用さ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、およびデバイスからのステータス応答に使用されます。たとえば、バス制御パイプ番号0によって使用されます。
  • ストリームパイプは、等時性[46] 割り込み、またはバルク転送 を使用してデータを転送する単方向エンドポイントに接続された単方向パイプです
    等時性転送
    ある程度の保証されたデータレート(固定帯域幅のストリーミングデータの場合)ですが、データ損失の可能性があります(たとえば、リアルタイムのオーディオまたはビデオ)
    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、迅速な応答(制限された遅延)を保証する必要があるデバイス
    一括転送
    残りの利用可能なすべての帯域幅を使用する大規模な散発的な転送。ただし、帯域幅や遅延の保証はありません(ファイル転送など)。

ホストがデータ転送を開始すると、 (device_address、endpoint_number)のタプル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、製造元の指定された方向がTOKENパケットと一致しない単方向エンドポイントである場合(たとえば、製造元の指定された方向がINで、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、開口部内では平らな長方形のバーが上面と平行に走っています。
コンピュータのフロントパネルにある2つのUSB3.0 Standard-Aレセプタクル(左)と2つのUSB 2.0 Standard-Aレセプタクル(右)

エンドポイントはインターフェイスにグループ化され、各インターフェイスは単一のデバイス機能に関連付けられています。これの例外はエンドポイントゼロです。これはデバイス構成に使用され、どのインターフェイスにも関連付けられていません。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。ホストはデバイスアドレスを関数に割り当てるだけなので、複合デバイスには単一のデバイスアドレスしかありません。

USBデバイスが最初にUSBホストに接続されると、USBデバイスの列挙プロセスが開始されます。列挙は、リセット信号をUSBデバイスに送信することから始まります。 USBデバイスのデータレートは、リセットシグナリング中に決定されます。リセット後、USBデバイスの情報がホストによって読み取られ、デバイスには一意の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ーが読み込まれ、デバイスは構成済みの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ーはトラフィックフローをデバイスに転送するため、ホストコントローラーからの明示的な要求がない限り、USBデバイスはバス上の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ーはバスのトラフィックをポーリングします。通常はラウンドロビン方式です。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ているUSBデバイスのいずれかの低速によって決まります。

高速USB2.0ハブには、高速USB2.0バスとフルスピードバスおよび低速バスの間で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含まれています。ハブごとまたはポートごとに1つのトランスレータが存在する場合があります。

各USB3.0ホストには2つの別個のコントローラーがあるため、USB 3.0デバイスは、その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、USB3.0データレートで送受信します。以前のデバイスの動作データレートは、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、ホストはデバイスのソフトウェアモジュールをロードし、さまざまなメーカーの新しいデバイスをサポートできます。

デバイスクラスは次のとおりです。[47]

クラス 使用法 説明 例、または例外
00時間 端末 不特定[48] デバイスクラスは指定されていません。インターフェイス記述子は、必要なドライバーを決定するために使用されます
01時間 インターフェース オーディオ スピーカーマイクサウンドカードMIDI
02時間 両方 通信とCDC制御 UARTおよびRS-232 シリアルアダプタモデムWi-Fiアダプタ、イーサネットアダプタ。以下のクラス0Ah (CDC-Dataと一緒に使用
03h インターフェース ヒューマンインターフェイスデバイス(HID) キーボードマウス、ジョイスティック
05h インターフェース 物理インターフェイスデバイス(PID) フィードバックジョイスティックを強制する
06時間 インターフェース 画像(PTP / MTP ウェブカメラスキャナー
07時間 インターフェース プリンター レーザープリンターインクジェットプリンターCNCマシン
08時間 インターフェース 大容量記憶装置(MSCまたはUMS) USBフラッシュドライブメモリカード リーダーデジタルオーディオプレーヤーデジタルカメラ、外付けドライブ
09時間 端末 USBハブ 全帯域幅ハブ
0ああ インターフェース CDC-データ 上記のクラス02h (通信およびCDC制御) と一緒に使用
0Bh インターフェース スマートカード USBスマートカードリーダー
0Dh インターフェース コンテンツのセキュリティ 指紋リーダー
0え インターフェース ビデオ ウェブカメラ
0Fh インターフェース パーソナルヘルスケアデバイスクラス(PHDC) 脈拍モニター(時計)
10時間 インターフェース オーディオ/ビデオ(AV) ウェブカメラ、テレビ
11時間 端末 ビルボード デバイスでサポートされているUSB-C代替モードについて説明します
DCh 両方 診断装置 USBコンプライアンステストデバイス
E0h インターフェース ワイヤレスコントローラー Bluetoothアダプター、Microsoft RNDIS
EFh 両方 その他 ActiveSyncデバイス
FEh インターフェース 特定用途向け IrDAブリッジ、テストおよび測定クラス(USBTMC)、[49] USB DFU(デバイスファームウェアアップグレード)[50]
FFh 両方 ベンダー固有 デバイスにベンダー固有のドライバーが必要であることを示します

USBマスストレージ/ USBドライブ

フラッシュドライブ、典型的なUSB大容量ストレージデバイス
USB3.0外部2.5インチSATAHDDエンクロージャからの回路基板

USB大容量記憶装置クラス(MSCまたはUMS)は、記憶装置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をサポートするように拡張されました。また、ディレクトリ内のファイル操作というおなじみのメタファーで多くのシステムを制御できるため、さまざまな新しいデバイスをサポートするように拡張されています。新しいデバイスを使い慣れたデバイスのように見せるためのプロセスは、拡張機能とも呼ばれます。 USBアダプタを使用して書き込みロックされたSDカードを起動する機能は、起動メディアの整合性と破損しない元の状態を維持するために特に有利です。

2005年初頭以降のほとんどのパーソナルコンピュータはUSB大容量記憶装置から起動できますが、USBはコンピュータの内部ストレージのプライマリバスとしては使用されていません。ただし、USBにはホットスワップが可能であるという利点があり、さまざまな種類のドライブを含むモバイル周辺機器に役立ちます。

いくつかのメーカーは、外付けのポータブル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のエンクロージャを提供しています。これらは、接続されているUSBデバイスの数と種類、およびUSBインターフェイスの上限によって制限される、内蔵ドライブに匹敵するパフォーマンスを提供します。外付けドライブ接続に関する他の競合する標準には、eSATAExpressCardFireWire(IEEE 1394)、および最近ではThunderboltが含まれます。

USB大容量記憶装置のもう1つの用途は、ホストコンピューターにインストールする必要のないソフトウェアアプリケーション(WebブラウザーやVoIPクライアントなど)のポータブル実行です。[51] [52]

メディア転送プロトコル

メディア転送プロトコル(MTP)は、ディスクブロックではなくファイルのレベルで、USBマスストレージよりもデバイスのファイルシステムへの高レベルのアクセスを提供するようにMicrosoftによって設計されました。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で使用するために設計されましたが、 Androidオペレーティングシステムのプライマリ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。バージョン4.1のJellyBeanおよびWindowsPhone 8から(Windows Phone 7デバイスはZuneプロトコルを使用していました– MTPの進化形です)。これの主な理由は、MTPが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ときにストレージを要求した場合の潜在的な問題を軽減します。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イスデバイス

USBマウスとキーボードは通常、小さなUSB-PS / 2アダプタを使用してPS / 2コネクタを備えた古いコンピュータで使用できます。デュアルプロトコルをサポートするマウスおよびキーボードの場合、ロジック回路を含まないアダプタを使用できます。キーボードまたはマウスのUSBハードウェアは、USBまたはPS / 2ポートに接続されているかどうかを検出し、適切なプロトコル。PS / 2キーボードとマウス(通常はそれぞれ1つ)をUSBポートに接続するコンバーターも存在します。[53]これらのデバイスは、システムに2つのHIDエンドポイントを提示し、マイクロコントローラーを使用して2つの標準間の双方向データ変換を実行します。

デバイスファームウェア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、ベンダーおよびデバイスに依存しないメカニズムであり、メーカーが提供する改良バージョンでUSBデバイスのファームウェアをアップグレードし、(たとえば)ファームウェアのバグ修正を展開する方法を提供します。ファームウェアのアップグレード操作中に、USBデバイスは動作モードを変更して効果的にPROMプログラマーになります。どのクラスのUSBデバイスでも、公式のDFU仕様に従うことでこの機能を実装できます。[50] [54] [55]

DFUは、ユーザーに代替ファームウェアでUSBデバイスをフラッシュする自由を与えることもできます。この結果の1つは、再フラッシュされた後のUSBデバイスがさまざまな予期しないデバイスタイプとして機能する可能性があることです。たとえば、販売者が単なるフラッシュドライブを意図しているUSBデバイスは、キーボードなどの入力デバイスを「スプーフィング」する可能性があります。BadUSBを参照してください[56]

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定め、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規格を開発して実装しました。ワーキンググループは3つのバージョンのオーディオを公開しています。デバイス仕様:[57] [58]オーディオ1.0、2.0、および3.0。「UAC」[59]または「ADC」と呼ばれます。[60]

UAC 2.0は、(フルスピードに加えて)高速USBのサポートを導入し、マルチチャネルインターフェイスの帯域幅を拡大し、サンプルレートを高め、[61]固有の遅延を減らし、[62] [59]、タイミング解像度を8倍向上させました。同期モードと適応モード。[59] UAC2は、クロックドメインの概念も導入しています。これは、入力端子と出力端子が同じソースからクロックを取得する情報をホストに提供するだけでなく、DSD、オーディオエフェクト、チャネルクラスタリング、ユーザーなどのオーディオエンコーディングのサポートを改善します。コントロール、およびデバイスの説明。[59] [63]

UAC 3.0は主に、データをバーストして低電力モードを頻繁に維持することによる電力使用量の削減や、デバイスのさまざまなコンポーネントの電力ドメインを導入して、使用していないときにシャットダウンできるようにします。[64]

UAC 1.0デバイスは依然として一般的ですが、クロスプラットフォームのドライバーレス互換性[61]と、Microsoftが公開後10年以上UAC 2.0を実装できなかったこともあり、最終的にWindows10のサポートが追加されました。 2017年3月20日のクリエイターアップデート。[65] [66] [63] UAC 2.0はMacOSiOS、およびLinuxでもサポートされています[59]が、AndroidもUAC1.0のサブセットのみを実装しています。[67]

USBは、3つの等時性(固定帯域幅)同期タイプを提供します[68]。これらはすべてオーディオデバイスで使用されます。[69]

  • 非同期– ADCまたはDACは、ホストコンピューターのクロックにまったく同期せず、デバイスのローカルの自走クロックで動作します。
  • 同期–デバイスのクロックはUSBフレーム開始(SOF)またはバスインターバル信号に同期されます。たとえば、これには、11.2896MHzのクロックを1kHzのSOF信号に同期させる必要があり、大きな周波数の増倍が必要になる場合があります。[70] [71]
  • アダプティブ–デバイスのクロックは、ホストによってフレームごとに送信されるデータの量に同期されます[72]

USB仕様では、もともと「ローコストスピーカー」で使用される非同期モードと「ハイエンドデジタルスピーカー」で使用される適応モードについて説明していましたが[73] 、非同期モードが機能として宣伝されているHi-Fiの世界では反対の認識が存在します。 、および適応/同期モードの評判は良くありません。[74] [75] [67]実際には、エンジニアリングとアプリケーションの品質に応じて、すべてのタイプが高品質または低品質になる可能性があります。[71] [59] [76]非同期には、コンピューターのクロックから解放されるという利点がありますが、複数のソースを組み合わせるときに サンプルレート変換が必要になるという欠点があります。

コネクタ

USB委員会が指定するコネクタは、USBの基本的な目標の数をサポートし、コンピュータ業界が使用した多くのコネクタから学んだ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ている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ているオスコネクタはプラグと呼ばれます。[24] :2–5 – 2–6 公式のUSB仕様書では、プラグを表すためにオスという用語を定期的に定義し、レセプタクルを表すためにメスという用語を定期的に定義しています。[77]

USBType-Aプラグ
標準のUSBType-Aプラグ。これは、多くの種類のUSBコネクタの1つです。

設計上、USBプラグをレセプタクルに誤って挿入することは困難です。USB仕様では、ユーザーが正しい方向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必要があります。[24]ただし、USB-Cプラグはリバーシブルです。USBケーブルと小型のUSBデバイスは、レセプタクルからのグリップ力によって所定の位置に保持され、一部のコネクタで使用されるネジ、クリップ、または親指の回転はありません。

異なるAプラグとBプラグは、2つの電源を誤って接続するのを防ぎます。ただし、この有向トポロジーの一部は、A-to-A、B-を必要とする多目的USB接続(スマートフォンのUSB On-The-Go 、USB電源Wi-Fiルーターなど)の出現により失われます。 to-B、場合によってはY /スプリッターケーブル。

仕様が進むにつれて、USBコネクタの種類が増えました。オリジナルのUSB仕様には、標準Aおよび標準Bのプラグとレセプタクルの詳細が記載されています。ユーザーが1つのコンピューターレセプタクルを別のコンピューターレセプタクルに接続できないように、コネクターは異なっていました。標準プラグのデータピンは電源ピンに比べて凹んでいるため、データ接続を確立する前にデバイスの電源を入れることができます。一部のデバイスは、データ接続が確立されているかどうかに応じて異なるモードで動作します。充電ドックは電源を供給し、ホストデバイスやデータピンを含まないため、対応するUSB​​デバイスを標準のUSBケーブルで充電または操作できます。充電ケーブルは電源接続を提供しますが、データは提供しません。充電専用ケーブルでは、データワイヤがデバイスの端で短絡されます。そうしないと、デバイスが充電器を不適切であるとして拒否する可能性があります。

ケーブル接続

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、標準ケーブルの最大長は5メートル(16フィート5インチ)で、デバイスはフルスピード(12 Mbit / s)で動作し、最大長は3メートル(9フィート10インチ)であると規定されています。低速(1.5 Mbit / s)で動作するデバイス。[78] [79] [80]

USB 2.0は、高速(480 Mbit / 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)のケーブル長を提供します。[80]

USB 3.0規格では、ケーブルの最大長を直接指定していません。すべてのケーブルが電気的仕様を満たしている必要があります。AWG26 ワイヤを使用する銅ケーブルの場合、実際の最大長は3メートル(9フィート10インチ)です。[81]

USBブリッジケーブル

USBブリッジケーブル、またはデータ転送ケーブルは市場に出回っており、PC間の直接接続を提供します。ブリッジケーブルは、ケーブルの中央にチップとアクティブな電子機器を備えた特殊なケーブルです。ケーブルの中央にあるチップは、両方のコンピューターの周辺機器として機能し、コンピューター間のピアツーピア通信を可能にします。USBブリッジケーブルは、USBポートを介して2台のコンピューター間でファイルを転送するために使用されます。

MicrosoftによってWindowsEasy Transferとして普及したMicrosoftユーティリティは、特別な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を実行しているコンピューターに個人用ファイルと設定を転送しました。Windows Easy Transferソフトウェアの使用状況では、ブリッジケーブルはEasyTransferケーブルと呼ばれることがあります

多くのUSBブリッジ/データ転送ケーブルは依然としてUSB2.0ですが、USB3.0転送ケーブルも多数あります。USB3.0はUSB2.0よりも10倍高速ですが、USB 3.0転送ケーブルは、その設計上、わずか2〜3倍高速です。

USB 3.0仕様では、2台のPCを接続するための電源なしのA-to-Aクロスケーブルが導入されました。これらはデータ転送を目的としたものではなく、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はシステムをType-Cケーブルで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、機能を動作させるには、接続されたシステムが役割の切り替え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電話などのモバイルプラットフォームで期待できますが、デスクトップPCとラップトップは多くの場合2つの役割をサポートしません。[82]

パワー

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

低電力および高電力デバイス

低電力デバイスは最大1ユニットの負荷を消費する可能性があり、未構成として起動する場合は、すべてのデバイスが低電力デバイスとして機能する必要があります。1ユニット負荷はUSB2.0までのUSBデバイスでは100mAですが、USB3.0ではユニット負荷を150mAと定義しています。

ハイパワーデバイス(一般的な2.5インチUSBハードディスクドライブなど)は、USB 2.0または6ユニット負荷(6x150mA = 900 mA)までのデバイスに対して、少なくとも1ユニットの負荷と最大5ユニットの負荷(5x100mA = 500 mA)を消費します)SuperSpeed(USB 3.0以降)デバイス用。

USB電源規格
仕様 電流 電圧 パワー(最大)
低電力デバイス 100 mA 5 V [a] 0.50 W
低電力SuperSpeed(USB 3.0)デバイス 150 mA 5 V [a] 0.75 W
ハイパワーデバイス 500 mA [b] 5 V 2.5 W
ハイパワーSuperSpeed(USB 3.0)デバイス 900 mA [c] 5 V 4.5 W
マルチレーンSuperSpeed(USB 3.2 Gen 2)デバイス 1.5 A [d] 5 V 7.5 W
バッテリー充電(BC)1.1 1.5 A 5 V 7.5 W
バッテリー充電(BC)1.2 1.5 A 5 V 7.5 W
USB-C 1.5 A 5 V 7.5 W
3 A 5 V 15 W
Power Delivery 1.0 / 2.0 / 3.0 Type-C 5 A [e] 20 V 100 W
電力供給3.1Type-C 5 A [e] 48 V [f] 240 W
  1. ^ ab低電力ハブポートから VBUS電源が4.40Vに低下する場合があります。
  2. ^ 最大5ユニットの負荷; SuperSpeed以外のデバイスでは、1つのユニット負荷は100mAです。
  3. ^ 最大6ユニットの負荷; SuperSpeedデバイスでは、1つのユニット負荷は150mAです。
  4. ^ 最大6ユニットの負荷; マルチレーンデバイスの場合、1つのユニット負荷は250mAです。
  5. ^ a b > 3 A(> 60 W)の操作には、定格5Aの電子的にマークされたケーブルが必要です。
  6. ^ > 20 V(> 100 W)の動作には、電子的にマークされた拡張電力範囲(EPR)ケーブルが必要です。

バッテリー充電モードを認識するために、専用の充電ポートがD +端子とD-端子の間に200Ωを超えない抵抗を配置します。「D +」端子と「D-」端子間の抵抗が200Ω未満のショートまたはニアショートのデータレーンは、充電率が不定の専用充電ポート(DCP)を意味します。[83] [84]

標準のUSBに加えて、1990年代に開発され、主にレジなどのPOS端末で使用さ れるPoweredUSBと呼ばれる独自のハイパワー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持つツイストペアデータケーブルで差動信号を使用して送信されます。[85]

  • 低速(LS)モードと全速(FS)モードは、半二重でD +とD-のラベルが付いた単一のデータペアを使用します送信信号レベルは、論理ローレベルで0.0〜0.3 V、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)モードでは、同じワイヤペアが使用されますが、電気的規則が異なります。低レベルの場合は-10〜10 mV、論理高レベルの場合は360〜440 mVの低い信号電圧、およびデータケーブルのインピーダンスに一致するようにアースに対して45Ωまたは90Ωの差動で終端します。
  • SuperSpeed(SS)は、シールド付きツイストワイヤの2つのペア(および新しい、ほとんど互換性のある拡張コネクタ)を追加します。これらは全二重SuperSpeed操作専用です。SuperSpeedリンクはUSB2.0チャネルから独立して動作し、接続を優先します。リンク構成はLFPS(低周波数周期信号、約20 MHz周波数)を使用して実行され、電気的機能には、送信機側での電圧ディエンファシス、および送電線、したがってリンクでの電気的損失に対抗するための受信機側での適応線形等化が含まれます。リンクトレーニングの概念を紹介します。
  • SuperSpeed +(SS +)は、増加したデータレート(Gen 2×1モード)および/またはUSB-Cコネクタの追加レーン(Gen1×2およびGen2×2モード)を使用します。

USB接続は、常にAコネクタ側のホストまたはハブと、もう一方の端にあるデバイスまたはハブの「アップストリーム」ポートの間にあります。

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。最初に、すべてのパケットは、ホストからルートハブを介して、場合によってはさらに多くのハブを介してデバイスに送信されます。それらのパケットのいくつかは、応答でいくつかのパケットを送信するようにデバイスに指示します。

トランザクション

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
  • セットアップトランザクション
  • 転送交換を制御する

関連規格

ワイヤレスUSBロゴ

USB Implementations Forumは、2015年7月29日に、USBプロトコルに基づくMedia Agnostic USB v.1.0ワイヤレス通信規格を発表しました。ワイヤレスUSBはケーブル交換テクノロジーであり、最大480Mビットのデータレートに超広帯域 ワイヤレステクノロジーを使用します。 / s。[86]

USB-IFは、MA-USB仕様の最初の基盤としてWiGig Serial Extension v1.2仕様を使用し、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、製品が認定プログラムの対象となる場合、「PoweredbyMA-USB」としてブランド化されます。[87]

InterChip USBは、通常のUSBに見られる従来のトランシーバーを排除するチップツーチップのバリエーションです。HSIC物理層は、USB 2.0と比較して約50%少ない電力と75%少ないボード領域を使用します。[88]

他の接続方法との比較

IEEE 1394

当初、USBは、ディスクドライブ、オーディオインターフェイス、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のシリアルバスとして設計されたIEEE 1394 (FireWire)テクノロジを補完するものと見なされていました。初期の設計では、USBははるかに低いデータレートで動作し、それほど洗練されていないハードウェアを使用していました。キーボードやポインティングデバイスなどの小さな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ネットワークはティアードスタートポロジを使用しますが、IEEE1394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、および2.0は、「speak-when-spoken-to」プロトコルを使用します。これは、ホストが特に通信を要求したときに、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は、ホストへのデバイス開始通信を可能にします。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、ツリーの最上位にある単一のホストに依存し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、対応する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 5Vの電力線で動作しますが、FireWireは12 Vを供給し、理論的には最大30Vを供給できます。
  • 標準のUSBハブポートは、通常の500 mA / 2.5 Wの電流から供給できますが、非ハブポートからは100mAしか供給できません。 USB3.0およびUSBOn-The-Goは1.8A / 9.0 W(専用バッテリー充電用、1.5 A / 7.5Wフル帯域幅または900mA / 4.5 W高帯域幅)を供給しますが、FireWireは理論上最大60ワットの電力を供給できます、ただし、10〜20ワットがより一般的です。

これらおよびその他の違いは、2つのバスの設計目標の違いを反映しています。USBはシンプルさと低コストを目的として設計され、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の高性能を目的として設計されました。理論上の最大転送速度は似ていますが、FireWire 400は、実際の使用ではUSB 2.0の高帯域幅よりも高速であり、[89]特に外付けハードドライブなどの高帯域幅の使用では高速です。[90] [91] [92] [93]新しいFireWire800規格は、FireWire 400の2倍の速度であり、理論的にも実際的にもUSB2.0の高帯域幅よりも高速です。[94]ただし、FireWireの速度の利点は、ダイレクトメモリアクセスなどの低レベルの技術に依存しています(DMA)。これにより、 DMA攻撃などのセキュリティエクスプロイトの機会が生まれました

USBとFireWireの実装に使用されるチップセットとドライバは、周辺機器との互換性とともに、仕様で規定されている帯域幅のどれだけが現実の世界で達成されるかに決定的な影響を及ぼします。[95]

イーサネット

IEEE 802.3af802.3atおよび802.3bt Power over Ethernet(PoE)規格は、パワードUSBよりも複雑なパワーネゴシエーションスキームを指定しています。これらは48V  DCで動作し、USB 2.0と比較して、最大100メートルのケーブルでより多くの電力を供給できます( 802.3afの場合は最大12.95 W 、 802.3atの場合は25.5 W、別名PoE +の場合は71W802.3btの場合は71 W )。最大ケーブル長5メートルで2.5W。これにより、PoEはVoIP電話、セキュリティカメラワイヤレスアクセスポイントで人気を博しています。、および建物内の他のネットワークデバイス。ただし、距離が短く、電力需要が少ない場合、USBはPoEよりも安価です。

イーサネット規格では、ネットワークデバイス(コンピューター、電話など)と最大1500 VACまたは2250VDCのネットワークケーブルを60秒間電気的に絶縁する必要があります。[96] USBは、ホストコンピュータに密接に関連する周辺機器用に設計されており、実際には周辺機器とホストのアースを接続するため、このような要件はありません。これにより、イーサネットは、特定の障害状態で危険な電圧を引き受ける可能性のある外部配線に接続されたケーブルやDSLモデムなどの周辺機器を備えたUSBよりも安全性が大幅に向上します。[97]

MIDI

MIDIデバイスのUSBデバイスクラス定義は、楽器デジタルインターフェイス(MIDI)の音楽データをUSB経由で送信します。[98] MIDI機能が拡張され、最大16本の仮想MIDIケーブルを同時に使用できるようになりました。各ケーブルは、通常のMIDI16チャンネルとクロックを伝送できます。

USBは、低コストで物理的に隣接するデバイスに対して競争力があります。ただし、Power over EthernetとMIDIプラグ規格は、ケーブルが長い可能性のあるハイエンドデバイスで有利です。USBは、両方のトランシーバーのグランドリファレンスを接続するため、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。対照的に、MIDIプラグ規格とイーサネットには500V以上のアイソレーションが組み込まれています。

eSATA / eSATAp

eSATAコネクタは、より堅牢なSATAコネクタであり、外付けハードドライブおよびSSDへの接続を目的としています。eSATAの転送速度(最大6 Gbit / s)は、USB 3.0(最大5 Gbit / s)およびUSB 3.1(最大10 Gbit / s)の転送速度と同様です。eSATAで接続されたデバイスは、通常のSATAデバイスのように見え、内部ドライブに関連する完全なパフォーマンスと完全な互換性の両方を提供します。

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ります。USB3.0の4.5Wでは外付けハードドライブに電力を供給できない場合もありますが、テクノロジーは進歩しており、外付けドライブに必要な電力は徐々に少なくなり、eSATAの利点が失われています。eSATAp(power overeSATA;別名ESATA / USB)は、2009年に導入されたコネクタであり、新しい下位互換性のある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。ノートブックでは、eSATApは通常2.5インチHDD / SSDに電力を供給するために5Vしか供給しません。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インチオプティカルドライブなどの大型デバイスに電力を供給するためにさらに12Vを供給することができます。

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、これはOSドライバーと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。

サンダーボルト

Thunderboltは、PCIExpressMiniDisplayPortを新しいシリアルデータインターフェイスに統合します。元のThunderboltの実装には2つのチャネルがあり、それぞれの転送速度は10 Gbit / sであるため、一方向の帯域幅の合計は20 Gbit / sになります。[99]

Thunderbolt 2は、リンクアグリゲーションを使用して、2つの10 Gbit / sチャネルを1つの双方向20Gbit / sチャネルに結合します。[100]

Thunderbolt3USB-Cコネクタを使用します。[101] [102] [103] Thunderbolt3には2つの物理的な20Gbit / s双方向チャネルがあり、単一の論理的な40 Gbit / s双方向チャネルとして表示されるように集約されています。 Thunderbolt 3コントローラーには、USB 3.1 Gen 2コントローラーを組み込んで、USBデバイスとの互換性を提供できます。また、USB-Cコネクタを介してDisplayPort代替モードを提供することもでき、Thunderbolt3ポートをDisplayPort代替モードを備えたUSB3.1 Gen2ポートのスーパーセットにします。

DisplayPort Alt Mode 2.0:USB 4は、代替モードでDisplayPort2.0をサポートします。DisplayPort 2.0は、HDR10カラーで60Hzで8Kの解像度をサポートできます。[104] DisplayPort2.0は最大80Gbit / sを使用できます。これは、すべてのデータを(モニターに)一方向に送信し、8つのデータレーンすべてを一度に使用できるため、USBデータで利用可能な量の2倍です。[104]

仕様がロイヤリティフリーになり、Thunderboltプロトコルの管理がIntelからUSB Implementations Forumに移された後、Thunderbolt 3はUSB4仕様に効果的に実装され、Thunderbolt 3との互換性はオプションですが、USB4製品で推奨されています。[要出典]

相互運用性

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

セキュリティの脅威

  • BadUSB[54] USBフラッシュドライブ#BadUSBも参照
  • SkylakeのIntelCPUを使用すると、USB3.0からそれらを制御できます。[105] [106] [107]
  • USBキラー
  • USBフラッシュドライブは、フラッシュドライブを接続した直後にAutorun.infに表示されるプログラムを実行するようにデフォルトで構成されているため、Windows XPの最初のバージョンでは危険でした。これを使用すると、マルウェアが自動的にアクティブ化される可能性があります。[要出典]

も参照してください

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外部リンク

一般的な概要

技術文書