USB (ユニバーサル シリアル バス) とは何ですか? 種類と重要性

ユニバーサル シリアル バス (USB) は、ホストと周辺機器間のシンプルで広く受け入れられる接続を可能にする、ケーブル、ポート、およびプロトコルで使用される仕様を規定する標準として定義されています。 この記事では、USB とは何か、USB の種類、テクノロジーの重要性について説明します。

USB (ユニバーサル シリアル バス) は、周辺機器をコンピュータに接続するために使用されるメカニズムです。 USB テクノロジが登場する前は、PC には通常 1 つまたは 2 つのシリアル接続、パラレル ポート、キーボードとマウスのコネクタ、および場合によってはジョイスティック ポートが含まれていました。

USB 標準は、コンピュータ周辺機器を接続するためのより簡単な方法として、1990 年代半ばに多くのアメリカ企業、特に IBM、Intel、Microsoft Corporation によって確立されました。 このポートは、さまざまなデバイスを接続するための標準的な方法を提供し、他の代替手段に比べて速度に大きな利点をもたらしました。

当初、USB テクノロジーの受け入れは鈍かったです。

1998 年の Apple Inc. の iMac の最初のモデルの導入は大きな進歩でした。 USB 接続のみを備えた人気の高いマシンを作成することで、Apple は他のメーカーにこの標準を採用するよう強制しました。 それ以来、プリンタ、スキャナ、キーボードなどの周辺機器の大部分はすべて USB を使用するようになりました。 新しいテクノロジ (一般に USB ストレージと呼ばれるポータブル メモリ スティックなど、最終的にはフロッピー ディスクに置き換わりました) の作成も、この規格の受け入れによって促進されました。

USB 設計は現在、USB をサポートおよび促進する組織で構成される USB Implementers Forum (USB-IF) によって標準化されています。 USBIF は USB を承認するだけでなく、規格を維持し、コンプライアンス プログラムを強制します。

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コンピュータの「バス」は、内部コンポーネント間、またはコンピュータとその外部デバイス間でデータを転送するケーブルのネットワークです。 これは、工場やデータセンターなど、エネルギーを大量に消費する大規模な場所に電力を供給する電子バスバーの比喩です。

USB が導入される前は、周辺機器は独自の構造のポートを介してコンピュータに接続されていました。 長年にわたり、周辺デバイスの数が増加するにつれて、プライマリ ホストとさまざまなデバイスからデータを交換するための新しい標準化された方法が必要になりました。 これが最終的に USB の発明につながりました。

周辺機器が USB でホスト コンピュータに接続されると、ホスト マシンは自動的にデバイスの種類を判断し、それを機能させるためのドライバをインストールします。

USB は、2 つのデバイス間で「パケット」と呼ばれる小さな一口サイズの量でデータを送信します。各パケットは、あらかじめ決められた量のバイト (デジタル情報単位) を送信します。これには、素材の送信元と送信先、異常などの詳細が含まれる場合があります。それが発見されたかもしれない。

USB の動作は次のように分類できます。

デバイスの数が増えると、ホストはすべてのアイソクロナス デバイスと割り込みデバイスによって要求された帯域幅の合計量の記録を維持します。 これらを組み合わせると、利用可能な帯域幅の最大 90% が占有される可能性があり、標準 USB では 480 メガビット/秒、USB 3.0 では 4.8 ギガビット/秒になります。

90% が消費されると、ホストはそれ以上のアイソクロナス デバイスまたは割り込みデバイスへのアクセスを禁止します。 制御パケットとバルク転送パケットは、残りの帯域幅 (常に最低 10%) を使用します。 このしきい値を超えると、複数の USB 接続で同時にデータを転送できなくなります。

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USB ポートは、ケーブルを PC や家庭用電子機器に接続するための標準インターフェイスです。 ユーザーは、USB ケーブルと呼ばれる特別に設計されたワイヤをこのポートに接続できます。 ケーブルの一方の端はホストに接続し、もう一方の端は周辺機器に接続します。USB の種類に応じて、両端が対称である場合とそうでない場合があります。

USB ケーブルは電力と情報の両方を送信できます。 これを実現するために、USB ケーブルには 2 種類のワイヤがあります。 1 つのセットは電流を伝送し、もう 1 つのセットはデータ信号を伝送します。

従来の USB 2.0 接続の内部には 4 つの金属ストリップがあります。 最も外側の 2 つのストリップは、電源のプラス端子とマイナス端子です。 2 つの中央ストリップはデータ送信用に指定されています。 最新の USB 3.0 接続では、データ伝送ストリップを追加することでデータ転送速度が向上します。 4 本の追加信号線により、USB 3.0 の優れた速度が可能になります。

ユニバーサル シリアル バス接続 (USB ポートと USB ケーブルによって有効になる) は、以下をサポートします。

ホットスワップは USB の大きな特徴の 1 つです。 この機能により、システムの再起動や中断を必要とせずに、デバイスの取り外しまたは交換が可能になります。

古いポートにデバイスをインストールまたはアンインストールする場合は、PC を再起動する必要があります。 静電気放電 (ESD) は、壊れやすい電子機器に大きな損傷を与える可能性のある意図しない電流であり、当初は再起動することで回避されました。 USB の場合、これは必要ありません。 ホットスワップは耐障害性があり、ハードウェア障害があっても機能し続けることができます。

USB のもう 1 つの側面は、直流 (DC) の使用です。 いくつかのデバイスは USB 電源接続を通じて DC 電流に接続されていますが、データは通信しません。 注目すべき例には、USB スピーカー、小型冷蔵庫、キーボード ランプ、さらには USB ベースのデバイスの充電器などがあります。

すべての USB 接続には、電源、アース、および 2 本のデータ ワイヤ (D + および D -) に使用される少なくとも 4 つの接点が備えられています。 USB 3.0 コネクタ以降には 5 つの接点があります。 USB 接続は、最大 500mA の電流で 5V を送信することを目的としています。 USB 接続は一方向のみに挿入できます。 間違った接続を強制する可能性があります。 ただし、これによりデバイスが損傷する可能性があります。

USB 接続は絶縁されており、回路の一部ではない金属ケースが提供されます。 この特性は、電気的に「忙しい」環境で信号の整合性を維持するために重要です。 すべての USB ケーブルは、ケーブルや電気接続への損傷を避けるために、接続端がプラスチックで包まれています。

USB は、4 世代の開発、または使用されるケーブル接続のタイプに基づいて分類できます。 まず、長年にわたって開発されてきた USB の 4 つのバージョンを見てみましょう。

USBの種類

前述したように、USB が登場する前は、システムにはシリアル ポートとパラレル ポートがありました。 Intel、Microsoft、Apple などの多くのコンピュータ メーカーが協力して、再起動を必要とせずに複数の外部ソースを PC に接続するユニバーサル デバイスを開発しました。 これは 90 年代に発売された最初の世代です。

2000 年に、USB 2.0 が広く普及しました。 バージョン 2.0 とバージョン 1.1 の最も大きな違いは転送速度です。 USB 2.0 は、USB 1.1 よりも 40 倍速い 480 メガビット/秒の速度でデータを送信しました。 大幅に強化された速度に加えて、USB 2.0 は任意の USB 1.1 ポートで構成可能であり、その逆も同様です。

USB 3.0 は、高解像度ビデオを効率的に転送するこの種の最初のデバイスでした。 SuperSpeed USB としても知られ、転送速度は 5 ギガビット/秒、つまり約 5,120 メガビット/秒でした。 ただし、USB 1.0 と同様に、USB 3.0 も普及することができず、その後継製品がより多く受け入れられました。Macbook と Chromebook は、2014 年に導入された USB 3.1 を採用した最初のラップトップの 1 つです。 USB 3.1の最大伝送速度は10ギガビット/秒でした。 これからちょうど 3 年後、USB 3.1 の 2 倍である 20 ギガビット/秒の伝送速度を備えた USB 3.2 が発売されました。 これらの USB のみが Type C 接続と互換性があります。 これらのポートは全二重であり、USB は対称であるため、データは両方向に送信できることを意味します。

USB4 (USB 4.0 とも呼ばれる) は、USB-IF バージョン 1.0 によって発行された 2019 年の規格です。 USB4 プロトコルは、Intel Corporation が USB-IF に提出した Thunderbolt 3 標準に基づいて構築されています。 その設計では、単一の高速接続を多数のエンドデバイス タイプと動的に利用し、データまたはアプリケーション タイプに応じて各転送を実行できます。USB4 と互換性のある最初の製品はインテルの Tiger Lake プロセッサであり、2020 年末頃にはさらに多くのデバイスが登場します。 . このタイプの USB 接続はまだ主流になっていません。さまざまな種類の USB を理解するもう 1 つの方法は、ケーブル接続と物理設計の性質に基づいて USB を分類することです。 前のリストの続きとして、注目すべき USB の主なタイプを次に示します。

USB タイプ A 接続は、タイプ A コネクタとも呼ばれ、最も普及している USB コネクタの 1 つです。 したがって、これらは標準 A 接続とも呼ばれます。 ラップトップまたはデスクトップ コンピュータに USB ポート (USB デバイスを接続できるポート) が含まれている場合、そのポートはタイプ A である可能性があります。最新の Apple ラップトップ (Mac) のほとんどには USB タイプ A 接続がないことに注意してください。

タイプ B は正方形で、タイプ A よりも小さいです。これは、タイプ A よりも普及率が低くなります。 ただし、スキャナ、プリンタ、外部ディスク ドライブなどのコンピュータ コンポーネントに存在する場合もあります。このタイプは主に大量のデータ転送接続に適しています。 USB タイプ B はラップトップではほとんど見られませんが、古いデスクトップ ワークステーション、サーバー、メインフレームでは普及している可能性があります。

USB Type-C は、おそらく現在利用可能な最も普及している USB 接続です。 コンパクトなサイズなので、携帯電話、Bluetooth スピーカーなど、現在使用している最も小さな周辺機器に簡単に収まります。 現在の他のバリエーションに対する Type-C の数多くの利点の 1 つは、「逆プラグ方向」をサポートしていることです。これは、プラグの方向に関係なく挿入できることを意味します。これは、ラップトップから携帯電話を充電したり、その逆を行うことができることを意味します。 Type-Cの双方向電源を使用します。 欧州議会域内市場委員会 (IMCO) も、EU 内で発売されるすべてのデバイスに USB-C 充電機能の搭載が義務付けられることを確認しました新しいウィンドウが開きます。

iPhone や iPad などの最新の Apple デバイスには、多くの場合、別個の USB コネクタ、つまり Lightning コードが含まれています。 ケーブルの一方の端には細い長方形の接続があり、もう一方の端には Type C コネクタがあります。 USB C と同様に、リバーシブルまたは対称的であり、どちらの向きでも挿入できます。 ただし、設計上、Lightning 接続は Apple 製品以外の製品やガジェットでは利用できません。

このタイプの USB は、少し古いポータブル デバイス向けの USB A または B 接続を最適化します。 これらは、タイプ A およびタイプ B USB 接続の小型バージョンです。 USB Mini は、ポータブル カメラ、ゲーム コントローラー、古い携帯電話でよく使われています。

繰り返しになりますが、micro バリアントは、モバイル デバイス用に USB A または B を最適化します (ただし、比較的新しいデバイス向けです)。 USB Type C の導入により、マイクロ USB は新しいハイエンド スマートフォン モデルから段階的に廃止されています。 ただし、マイクロ USB は、安価な携帯電話やヘッドフォンなどの電子機器で依然として世界中で一般的に使用されています。USB Micro B SuperSpeed は、マイクロ USB 標準の追加バリエーションです。 名前が示すように、標準のマイクロ USB B ポートよりも高速なデータ転送が可能です。 したがって、これらの接続は、大量のデータ送信が頻繁に行われる外部ディスク ドライブでよく見られます。詳細: 空間分析とは何ですか? 定義、動作、および例

さまざまな理由から、USB は消費者にとっても企業にとっても、現代のデジタル時代の基礎テクノロジーとなっています。

USBの重要性

USB の適応性により、アクセサリごとに個別の接続タイプやハードウェア仕様を設定する必要がなくなります。 さらに、ほとんどのパーソナル コンピュータには 3 ～ 4 つの USB ポートが搭載されています。 さらに多くの USB ポートが必要な場合は、USB ハブを使用して外部ポートを追加できます。

古い接続と比較して、USB ソケットのサイズが小さくなりました。 さらに、USB インターフェースは最初から DC 電源として機能するように作成されています。 ホスト デバイスは、USB コネクタを介して、500 mA (USB 1.0 および 2.0) ～ 900 mA (USB 3.0) の範囲の 5V DC を周辺機器に供給できます。

ホスト デバイスのオペレーティング システムは、USB デバイス ドライバーを 1 回だけインストールする必要があります。 その後、周辺機器を接続すると、すぐにドライバーが起動して周辺機器のセットアップが行われます。 通常、USB 周辺機器のデバイス ドライバーは、周辺機器が初めてホストに接続されたときに自動的にロードされます。

USB には複数の速度設定があり、生産性と効率性が向上します。 1.5Mbit/s ～ 5Gbit/s の速度を提供します。 2013 年には USB 3.1 がリリースされ、速度が 10Gbit/s に向上しました。 さらに、USB プロトコルはデータ送信エラーを検出し、送信機にデータを再送信するように指示する場合があります。

製造プロセスの拡張性と USB の適応性と人気により、現在では USB 対応製品を手頃な価格で製造できるようになりました。 したがって、コンポーネント、接続、およびケーブルは広く入手可能であり、安価です。 「サスペンド モード」中、周辺機器は USB 2.0 で 500 マイクロアンペア未満、USB 3.0 で 2.5 ミリアンペア未満を使用するため、支出が大幅に削減されます。

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過去 20 年間で、USB は民生用デバイスで最も広く受け入れられる接続タイプになりました。 在宅勤務時の PC 周辺機器からモバイル デバイスのストレージの拡張まで、さまざまな用途に使用できます。 組織は USB テクノロジーを活用してプライマリ ストレージ機能を追加し、従業員の柔軟性を高めることができます。

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テクニカルライター