USB

概要

USB（Universal Serial Bus）は、1996年にIntel・Compaq・IBM・Microsoft・NEC・Northernなど主要IT企業が共同で策定したシリアルバス規格です。「誰でも簡単に接続できる汎用インターフェース」をコンセプトに設計され、コネクタの抜き挿しによるホットプラグ対応、電源供給（バスパワー）、自動デバイス認識（プラグアンドプレイ）を実現しました。

キーボード・マウス・ストレージ・カメラ・プリンターなどPC周辺機器の標準インターフェースとして普及し、組み込みシステムでもデバイスとしての接続（USB CDC/HID/MSC等）やホスト機能を持つ機器に広く採用されています。

速度はUSB 1.1（12Mbps）からUSB 4（最大40Gbps）まで発展し、USB Power Delivery（PD）では最大240Wの電力供給も可能になっています。

歴史・背景

1996年のUSB 1.0リリース後、1998年のUSB 1.1で普及が始まりました。2000年のUSB 2.0（480Mbps）はHi-Speedとして広く普及し、USB HDD・フラッシュドライブ・カメラ等をPCに接続する標準となりました。

2008年のUSB 3.0（5Gbps）でSuperSpeedに対応。2014年のUSB Type-CコネクタとUSB PDの登場でリバーシブル接続と高電力供給が実現しました。2019年のUSB 4はThunderbolt 3をベースとし、最大40Gbpsと統一コネクタ（Type-C）を定義しました。

組み込み分野では、STM32・ESP32・nRF52などの多くのマイコンがUSBデバイス機能（CDCシリアル・HID・大容量記憶）を内蔵しており、ファームウェア更新・デバッグコンソール・データ転送に活用されています。

技術仕様

USBのバージョンと速度

バージョン	最大速度	コネクタ
USB 1.0 / 1.1	12 Mbps (Full Speed)	Type-A, Type-B
USB 2.0	480 Mbps (Hi-Speed)	Type-A, Type-B, Mini, Micro
USB 3.2 Gen 1	5 Gbps (SuperSpeed)	Type-A, Type-B, Type-C
USB 3.2 Gen 2	10 Gbps (SuperSpeed+)	Type-C
USB 3.2 Gen 2x2	20 Gbps	Type-C
USB 4 Gen 2x2	20 Gbps	Type-C
USB 4 Gen 3x2	40 Gbps	Type-C

USBデバイスクラス

USBデバイスはデバイスクラスで機能を宣言します：

クラス	略称	例
CDC（通信）	CDC/ACM	USBシリアル（VCP）
HID（ヒューマンインターフェース）	HID	キーボード・マウス・ゲームパッド
マスストレージ	MSC	USBメモリ・SDカードリーダー
オーディオ	Audio	USBスピーカー・マイク
ビデオ	UVC	Webカメラ
DFU（デバイスファームウェアアップグレード）	DFU	ファームウェア書き込み
カスタム（ベンダー固有）	Vendor	特定アプリケーション

USB電源供給

規格	電圧	最大電流	最大電力
USB 2.0（バスパワー）	5V	500mA	2.5W
USB 3.x（バスパワー）	5V	900mA	4.5W
USB PD Rev 2.0	5/9/15/20V	最大5A	最大100W
USB PD Rev 3.1	最大48V	最大5A	最大240W

動作原理

ホスト・デバイス・OTGモデル

USBホスト: バスを制御し、デバイスを管理（PC・タブレット等）
USBデバイス（ペリフェラル）: ホストからの要求に応答（マウス・USBメモリ等）
USB OTG: USB OTG参照

USBの転送モード

転送タイプ	特徴	用途
Control	設定・制御用。すべてのデバイスが持つ	デバイス列挙・設定
Bulk	大量データ・信頼性保証あり・帯域保証なし	USBメモリ・プリンタ
Interrupt	定期ポーリング・遅延保証あり	キーボード・マウス
Isochronous	連続データ・帯域保証あり・再送なし	オーディオ・ビデオ

デバイス列挙プロセス

USBデバイスを接続すると以下の列挙が行われます：

1. デバイス接続検出（D+/D-プルアップ検出）
2. ホストがリセット信号を送出
3. デバイスにアドレス0で通信 → デバイスディスクリプタ取得
4. ホストがユニークアドレスを割り当て
5. コンフィギュレーションディスクリプタ取得（インターフェース/エンドポイント情報）
6. デバイスクラスに応じたドライバ読み込み
7. 通常の通信開始

STM32でのUSB CDC（仮想COMポート）実装

// STM32 USB CDC（Virtual COM Port）使用例

#include "usbd_cdc_if.h"

// USB経由でデータ送信
uint8_t buf[] = "Hello USB!\r\n";
CDC_Transmit_FS(buf, sizeof(buf) - 1);

// USB受信コールバック（usbd_cdc_if.cの中に実装）
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len) {
    // Buf: 受信データポインタ、*Len: 受信バイト数
    // 受信データを処理してエコーバック
    CDC_Transmit_FS(Buf, *Len);
    USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);
    USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
    return USBD_OK;
}

// USB HID（キーボードエミュレーション）例
#include "usbd_hid.h"

typedef struct {
    uint8_t modifier;  // Ctrl/Shift等
    uint8_t reserved;
    uint8_t keycode[6];  // 最大6キー同時
} USB_HID_KeyReport;

USB_HID_KeyReport key_report = {0};
key_report.keycode[0] = 0x04;  // 'a'キー
USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, (uint8_t*)&key_report, sizeof(key_report));

用途・ユースケース

組み込みシステムでのUSBの活用例：

デバッグコンソール（USB CDC）: USBシリアル変換アダプタ不要でPCに直接接続してログ出力。STM32Nucleo等の開発ボードはこの方式
ファームウェア更新（DFU）: USBブートローダーでPCからファームウェアを書き込み。STM32のDFUモード（BOOT0ピン設定）等
HIDデバイス: マイコンをキーボード・マウス・ゲームパッドとしてエミュレーション（Arduino LeonardoはHID対応）
USBマスストレージ: マイコンのSDカード・内部フラッシュをUSBメモリとしてPC側に公開
USB-UART変換: CH340G・FT232RLなどのUSB-UARTブリッジICは組み込み開発で多用
産業機器のPC接続: 計測器・テスターのPCへのデータ転送インターフェース

実装・開発のポイント

USBスタックライブラリ

マイコンでのUSB実装にはソフトウェアスタックが必要です：

ライブラリ	対象	特徴
STM32 USB Library (HAL)	STM32	ST公式。CubeMXで生成
TinyUSB	多プラットフォーム	オープンソース、軽量
LUFA	AVR	AVR向け定番
USB4Java	Java	PC側ホスト実装

USB信号品質

USB信号はD+/D-の差動信号です。PCBレイアウトでは以下が重要：

D+とD-を差動ペアとして等長配線
差動インピーダンス90Ω±15%を維持
グランドプレーンを確保
USBクリスタル（12MHz or 48MHz）の近傍配置

USB認証（USB-IF認証）

USB-IF（USB Implementers Forum）の認証を受けることで、製品への「Certified USB」ロゴ使用が許可されます。市販製品では認証取得が推奨されます。

他技術との比較

USB vs UART

UARTはよりシンプルで低オーバーヘッドですが、速度・電源供給・プラグアンドプレイではUSBが圧倒的に優れます。組み込みのデバッグコンソールにはUSB CDCが便利ですが、実装の複雑さが増します。

USB vs Ethernet

Ethernetはより長距離・ネットワーク通信向け。USBは直接接続（1対1）で高速なデータ転送と電源供給を兼ねる点が異なります。USB EthernetアダプタのようにUSB上でEthernetを動かすことも可能です。

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