USB (バス)

USB 3.0では、Intelが中心となる「USB 3.0 Promoter Group」により策定された。

規格完成後は、USB規格の管轄団体である「USB Implementers Forum」(USB-IF)に、その管理を移管した。

接続に使用するコネクタはUSBコネクタと呼ばれる。

標準化されている範囲内では、次の三種類の大きさのものが使われている。

• 標準コネクタ
• ミニUSB
• マイクロUSB

標準コネクタであるAコネクタは約12mm×5mm角、デバイス専用のBコネクタは8mm角となっており、Aコネクタの形状や発想は、任天堂のゲームボーイの通信ケーブルを参考にしたと言われている。

USB A・Bコネクタ

但し、USB 2.0までと、USB 3.0では、端子数が異なる。USB 3.0の機能を使うためには、USB 3.0用のケーブルやUSB HUBなどを使用せねばならない。

この他、特定の機器専用のコネクタも使われている。

USBには、次のバージョンがある。一つのネットワーク内で混在して利用できる。

• USB 1.0
• USB 1.1
• USB 2.0
• USB 3.0 (SuperSpeed USB)

但し、USB 1.0/1.1/2.0とUSB 3.0では使用する物理層(信号線そのもの)が違う。機器としては混在可能だが、信号線そのものは混在していない。

仕様の違いは次の通りである。

USBはスター型接続のネットワークを形成する。

ひとつのホストコントローラー(パソコン)に対し、最大6分岐までのHUBを介して、1ネットワーク上に最大127台の装置(ターゲット)をツリー型に接続することが可能。

ケーブル長は最大5m。

あくまでも、USBホスト(パソコン)対各種周辺機器、という用途が想定されているため、通信は必ずホストを介して行ない、ターゲット同士で直接通信は配慮されていない(後からUSB On-The-Goが登場した)。

その代わり、通信制御の面倒な部分は全てホスト側で全て賄い、機器側は単純な構成で利用可能とし、コストを低く抑えられるようになっている。

伝送速度は、USBのバージョンごとに、次のようになっている。

USB 2.0以降は、新規に追加されたモードのみ記載するが、古いモードも利用できる。

• USB 1.0/USB 1.1 (最大12Mbps)
  • ロー・スピード(1.5Mbps)
  • フル・スピード(12Mbps)
• USB 2.0 (最大480Mbps)
  • ハイ・スピード(480Mbps)
• USB 3.0 (最大5.0Gbps)
  • スーパー・スピード (5.0Gbps)

元々は低速がUSB、高速がIEEE 1394という棲み分けが想定されていた。

しかし、パーソナルコンピューターではIEEE 1394は全く普及せず、USBが普及したことから、こちらの高速化が行なわれることになった。

USB 2.0仕様でハイ・スピード(480Mbps)が追加されたことで、帯域についてはIEEE 1394に対抗し得る規格となった。

USB 3.0仕様では更に速度は10倍となり、シリアルATAの2倍速相当にまで高速化された。

USB 1.1およびUSB 2.0では、ケーブルあたり+5Vを、ローパワーで100mA、ハイパワーで500mAを供給する。

USB 3.0では、ケーブルあたり+5Vを100mA〜900mAを供給する。

接続する装置ごとに形態の異なるコネクタを用意しなくてよく、コスト、スペースに関してメリットがある。

ホットプラグ(ダイナミックな抜き差し)を含むプラグアンドプレイに対応しており、取り扱いが比較的容易である。一台の周辺機器を複数のコンピューターで共用しやすい。

このため、当初はモデム、プリンタ、キーボード、マウスなどの比較的低速な機器で、かつ頻繁に抜き差しするような機器の接続に適しているとされた。

USB 2.0からは高速化もなされた。専用のプロトコルには及ばないものの、日常で使う程度であれば、ハードディスクなどの接続にも十分な帯域がある。

Windows 98やWindows 2000以降で標準サポートされている。

登場当初は出足が鈍く、普及が危ぶまれた(当時はIEEE 1394が本命と考えられたため)ものの、Windows 98やiMacで標準対応したため徐々に普及した。

USB 2.0で速度が高速になったことなどから更に普及、もはやパソコンには無くてはならないものとなった。

USB 2.0までの信号線は4本で、信号ライン(緑D+、白D−)と電源ライン(赤VBUS、黒GND)がありコネクタも4ピンである。

ミニUSBとマイクロUSBには更に1本、USB On-The-Goで使うID信号が追加されている。

信号線は差動(平衡)の半二重伝送である。但しEIA-232等と違うのは、物理層だけでなくその上位層も規定がされており、送信データは先頭にアドレスやエンドポイントの番号、最後にCRCを付けた、パケット単位での通信されるという点である。

USB 3.0では、新たに5本の信号線が追加された。

コネクタの寸法等は従来と変わらず、従来の4本(または5本)の信号線も変わらない。追加信号線は、標準コネクタであれば、プラグの奥の方に新ピンが加えられている。

5本の内訳は、信号ライン(送信線、受信線が各2本)とGNDである。

従来の4ピンとは独立して機能するため、既存のコネクタに接続すればUSB 2.0相当で利用可能な、後方互換性が確保されている。

信号レベルは、ロー・スピードとフル・スピードが、V_IHが2.0V以上、V_ILが0.8V以下であり、つまりTTLレベルである。

対してハイ・スピードではHが360mV以上(一般的には400mV以上にする)、Lが10mV以下となる。