「USBの仕組み」とは？ 新人エンジニア向けに解説
山崎講師こんにちは。ゆうせいです。
今日は、新人エンジニアの皆さんに「USBの仕組み」についてお話しします。
USBは、PCやスマートフォンなどのさまざまなデバイスで使われている「接続の標準規格」です。普段使っているものの、具体的にどのように動作しているのか知っていますか？
「なぜUSBは簡単に使えるのか？」という疑問を解決しながら、USBの基本から仕組みまで丁寧に解説しますね。
USBとは？
1. 基本概念
USB（Universal Serial Bus）は、電子機器を接続してデータのやり取りや電力供給を行うための標準規格です。「Universal」という名前の通り、幅広い用途に対応しています。キーボード、マウス、USBメモリ、スマホ充電器など、どれもUSBに対応していますね。
2. なぜUSBが生まれたのか？
昔は、デバイスごとに接続規格が異なり、接続が非常に面倒でした。そこで「簡単にデバイスを接続できる仕組み」を目指してUSBが作られました。
ポイント: USBは、以下の2つを目的に設計されています。
- プラグ＆プレイ: 繋ぐだけで使える。
- ホットスワップ: 電源を切らずに接続や取り外しが可能。
USBの仕組み
USBは、データの送受信や電力供給を行う仕組みを持っています。それぞれの仕組みを詳しく見ていきましょう。
1. データの送受信
USBは「ホスト」と「デバイス」の通信を管理します。ホストは通常PCやスマートフォンで、デバイスはUSBメモリやキーボードなどです。
データ通信の流れ
- ホストからの指令
ホスト（例: PC）が「データを送信して」や「このデータを保存して」といった指令を出します。 - デバイスからの応答
デバイス（例: USBメモリ）がその指令に応じてデータを送信・受信します。 - プロトコルによる管理
USBは通信の手順を「プロトコル」と呼ばれるルールに基づいて管理します。これにより、異なるメーカーの機器でもスムーズに通信が行えます。
2. 電力供給
USBは電力供給機能も持っています。デバイスに必要な電力をUSBケーブルを通じて供給します。
電力の仕組み
USBケーブルには電力供給用のピン（VbusとGND）があり、ここを通じて電流が流れます。USBの規格により、供給できる電力は次のように変化しています。
| 規格 | 最大供給電力 |
|---|---|
| USB 2.0 | 5V、最大500mA（2.5W） |
| USB 3.0/3.1 | 5V、最大900mA（4.5W） |
| USB-C（PD） | 最大20V、5A（100W） |
USB-Cの登場で、大きな電力も供給できるようになりました。ノートPCの充電が可能になったのも、この進化のおかげです。
USBの物理構造
USBケーブルやポートには、どのような構造があるのでしょうか？
1. USBケーブル
USBケーブルは、内部に4本（またはそれ以上）の配線が含まれています。
- Vbus: 電源供給用の配線（+5V）。
- GND: グラウンド（電流の戻り道）。
- D+ / D-: データ通信用の配線。
USB 3.0以降では、追加のデータ配線（SuperSpeed信号）が増えています。これにより、より高速な通信が可能になりました。
2. USBポート
USBポートの形状には以下の種類があります：
- USB-A: 一般的な長方形のポート。
- USB-B: プリンタなどで使われる正方形に近い形。
- USB-C: 両面挿しが可能な最新規格。
USB-Cのメリット:
向きを気にせず挿せるだけでなく、高速通信や高電力供給が可能です。
USBの通信方式
USBは、効率的な通信を実現するために独自の方式を採用しています。
1. ホスト/デバイス構造
USBは「ホスト」がすべての通信を管理し、「デバイス」がホストからの指示に従う形で動作します。ホストは常に中心的な役割を果たします。
2. データ転送モード
USBでは、データの転送方法を以下の4つのモードで分類しています：
- コントロール転送: 設定や制御用（例: デバイスの初期設定）。
- バルク転送: 大容量データの転送（例: USBメモリのファイル転送）。
- インタラプト転送: 小さなデータの即時転送（例: キーボードの入力）。
- アイソクロナス転送: 時間的な連続性が重要なデータ（例: 音声や映像）。
USB規格の進化
USBは、データ通信速度や機能が進化しています。代表的な規格を見てみましょう。
| 規格 | 最大転送速度 | 特徴 |
|---|---|---|
| USB 1.1 | 12 Mbps | 初期の規格 |
| USB 2.0 | 480 Mbps | 現在でも多く使われている標準規格 |
| USB 3.0/3.1 | 5 Gbps / 10 Gbps | 高速データ転送が可能 |
| USB 4.0 | 40 Gbps | Thunderbolt 3互換、高速かつ高機能 |
実際に試してみよう！
USBの仕組みを学んだら、以下のような実験に挑戦してみましょう。
- USB通信の解析
専用のソフトウェア（例: Wireshark）を使って、USBデバイスの通信をモニタリングしてみましょう。 - USBデバイスを作る
マイコン（例: Arduino）を使って、簡単なUSBデバイスを自作してみるのも楽しいですよ。 - USB-Cの高電力供給を利用
PD（Power Delivery）対応デバイスで充電実験をして、USB-Cの利便性を体感しましょう。
まとめと次のステップ
USBは、シンプルに見えて非常に高度な仕組みを持っています。
次は以下のようなテーマに進むと、さらに理解が深まりますよ。
- 通信プロトコルの詳細
- USB-CとThunderboltの違い
- ハードウェア設計におけるUSBの実装方法
普段使っている技術の裏側を知ることで、エンジニアとしての視野が広がります！ 次回も新しいテーマでお会いしましょう。
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投稿者プロフィール
- 代表取締役
-
セイ・コンサルティング・グループ株式会社代表取締役。
岐阜県出身。
2000年創業、2004年会社設立。
IT企業向け人材育成研修歴業界歴20年以上。
すべての無駄を省いた費用対効果の高い「筋肉質」な研修を提供します！
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