USB（USB: ユーエスビー）

2025年10月14日

USB（USB: ユーエスビー）

英語表記: USB

概要

USB（Universal Serial Bus）は、コンピュータの構成要素であるホスト（PC本体など）と多様な周辺機器とを接続するための、外部バスの標準規格です。この規格は、従来の接続方式が抱えていた複雑さや拡張性の問題を解決するために開発されました。特に、バス構造（データバス, アドレスバス, 制御バス）において、データを複数の経路で同時に送る「パラレル通信」ではなく、一本の経路で順番に送る「シリアル通信」を採用している点が最大の特徴です。このシリアル通信方式により、配線がシンプルになり、高速かつ安定したデータ転送を実現しています。

詳細解説

バス構造におけるUSBの位置づけ

USBは、コンピュータの構成要素間のデータ転送路、すなわちバス構造の一部として機能します。しかし、CPUとメモリを繋ぐ内部バス（システムバス）とは異なり、外部の周辺機器（キーボード、マウス、プリンタ、ストレージなど）を接続するためのI/Oバスとしての役割を担っています。

USBが画期的だったのは、この外部バスの設計思想を根本から変えた点にあります。従来の外部バス（例：セントロニクス規格のプリンタポートやSCSIなど）は、機器ごとに専用のポートが必要であったり、設定が複雑であったりしました。USBは、すべての周辺機器をたった一つの標準化されたポートに接続できるようにすることで、コンピュータの利便性を劇的に向上させました。

シリアル vs パラレル：なぜシリアル通信が選ばれたのか

USBが採用しているシリアル通信は、シリアル vs パラレルというバス構造の選択において、外部接続インターフェースの未来を決定づけた方式と言えます。

パラレル通信は、複数のデータ線（例：8本、16本など）を使い、一度に多くのビットを並行して送るため、理論上は高速です。しかし、特に長距離になるほど、各データ線に流れる信号が到着するタイミングに微妙なズレ（スキュー）が生じやすく、このタイミングを正確に同期させることが非常に困難になります。また、配線数が増えるため、ケーブルが太くなり、コストもかさみます。さらに、複数の信号線が近接することで、電磁的な干渉（クロストーク）が発生しやすくなり、高速化の大きな障壁となっていました。

一方、USBが採用するシリアル通信は、データを1ビットずつ直列に送ります。一見すると遅そうに思えますが、データ線が少ない（通常は電源線、GND線を含めても数本）ため、スキューやクロストークの問題を最小限に抑えられます。信号の同期が容易になり、結果として、一本の線に非常に高い周波数で信号を詰め込むことが可能になりました。これにより、パラレル通信が物理的な限界に達しつつあった時代に、USBはパラレル通信を凌駕する実効速度と、圧倒的な使いやすさを両立することに成功したのです。

USBの主要な機能と動作原理

USBの動作は、ホストコントローラ（PC側）と接続されたデバイス間の階層的な通信によって成り立っています。

プラグアンドプレイ（PnP）: 機器を接続すると、OSが自動的にその機器を認識し、必要な設定やドライバのインストールを行う機能です。これにより、ユーザーが手動でIRQ（割り込み要求）やアドレスを設定する手間が一切なくなりました。これは、コンピュータの構成要素としての使い勝手を飛躍的に向上させた重要な要素です。
ホットプラグ: コンピュータの電源を入れたまま、機器の抜き差しができる機能です。従来のバス構造では電源を切る必要があったため、この機能は利便性を大きく高めました。
バスパワー供給: USBケーブルを通じて、接続された機器に電力を供給する機能です。マウスやメモリなど、消費電力が少ない機器はACアダプタが不要となり、配線周りが非常にすっきりしました。

規格の進化と速度

USBは登場以来、一貫してシリアル通信の技術を磨き上げ、転送速度を向上させてきました。これは、バス構造の性能が、コンピュータ全体の処理能力を支える上で極めて重要だからです。

| 規格名 | 愛称 | 最大転送速度（理論値） | 登場時期 | 特徴 |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| USB 1.1 | Full Speed | 12 Mbps | 1998年 | 初期普及版。 |
| USB 2.0 | Hi-Speed | 480 Mbps | 2000年 | 大幅な高速化。 |
| USB 3.2 Gen 1 | SuperSpeed | 5 Gbps | 2008年 | 独立したデータ線を追加し、実質的なシリアル通信の帯域を拡張。 |
| USB 3.2 Gen 2 | SuperSpeed+ | 10 Gbps | 2013年 | 速度がさらに倍増。 |
| USB 4 / Thunderbolt 3 | – | 20〜40 Gbps | 2019年以降 | Thunderbolt技術を取り込み、DisplayPortやPCI Express信号も統合。 |

このように、USBはシリアル通信の限界に挑み続けることで、外部ストレージや高解像度ディスプレイなどの高速な周辺機器も、たった一本のケーブルで接続できる環境を提供し続けています。これは、まさしく技術の進歩の賜物だと感じますね。

具体例・活用シーン

1. 周辺機器の標準化

USBの登場以前は、キーボードはPS/2、プリンタはパラレルポート、モデムはシリアルポート、スキャナはSCSIなど、機器によって接続ポートがバラバラでした。USBはこれらをすべて統合し、どの機器も同じポートに接続できる「ユニバーサル」な規格を実現しました。これにより、ユーザーはポートの種類を気にする必要がなくなり、コンピュータの構成要素としての拡張性が劇的に高まりました。

2. シリアル vs パラレルの比喩：データ輸送の物語

USBが採用するシリアル通信と、従来のパラレル通信の違いを理解するために、物流の物語を考えてみましょう。

パラレル通信は、まるで「多車線の高速道路」のようなものです。一度に8台や16台のトラック（データビット）を同時に走らせることができます。しかし、高速で走らせようとすると、すべてのトラックが同時にゴール地点（受信側）に到着するようにタイミングを完璧に調整しなければなりません。少しでもズレると、データが混ざってしまい、エラーが発生します。特に距離が長くなると、このタイミング調整（同期）が非常に難しくなり、結局、安全のために速度を落とさざるを得ませんでした。

一方、USBのシリアル通信は、「超高速な単線鉄道」に例えられます。一度に運べるのは一台の列車（1ビット）だけですが、その列車は非常に高速で走行します。一本の線路しかないので、タイミングのズレ（スキュー）を気にする必要がありません。また、線路の敷設も簡単で、コストも安く、信号の干渉も少ないため、安心して最高速度を出すことができます。

この物語からも分かるように、バス構造において、一見データ幅が広いパラレル方式よりも、一本の線に全力を注ぎ込めるシリアル方式の方が、現代の高速・長距離通信においては優位性があることがわかります。

3. モバイル機器への応用

USB Type-Cコネクタの普及は、USBの利便性をさらに高めました。上下の区別がないリバーシブルな形状は、接続のストレスを軽減します。さらに、USB PD（Power Delivery）規格と組み合わせることで、従来の規格よりはるかに大きな電力（最大240W）を供給できるようになり、ノートPCや外部モニターまで、たった一本のケーブルでデータ転送と充電を同時に行えるようになりました。これは、バス構造が電源供給の役割も担うという、非常に効率的な進化の形です。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、USBはコンピュータの構成要素としての基本的な知識、特にバス構造の分類として頻出します。

シリアル通信方式であること（最重要）:
- USBは、パラレル通信ではなく、シリアル通信方式を採用していることを確実に覚えてください。この点が、従来のパラレルポート（LPTポートなど）やIDE/ATAといったパラレル方式のバスとの決定的な違いであり、高速化と配線簡素化の鍵であることを理解しておく必要があります。
プラグアンドプレイ（PnP）とホットプラグ:
- USBの利便性を支える代表的な機能です。PnPはOSによる自動認識・設定、ホットプラグは電源投入状態での抜き差しが可能であることを意味します。これらは周辺機器の接続が容易になった最大の要因として問われます。
バスパワー機能:
- データ転送だけでなく、電源供給も同時に行う機能です。これにより、周辺機器がACアダプタなしで動作できる点を理解しましょう。
規格と速度の区別:
- USB 2.0 (Hi-Speed: 480 Mbps)、USB 3.0/3.2 Gen 1 (SuperSpeed: 5 Gbps)、USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed+: 10 Gbps)といった主要な規格とその理論上の最大転送速度の概算は、特に基本情報技術者試験以上で問われる可能性があります。速度のオーダー（桁）の違いを把握しておくと良いでしょう。
バス構造の分類:
- USBは、CPUと周辺機器を接続する「外部バス（I/Oバス）」に分類されます。この分類が、コンピュータの構成要素のどの部分に該当するのかを明確にしておくことが大切です。
コネクタ形状:
- Type-A、Type-B、Mini/Micro、そして最新のType-Cといったコネクタ形状の進化や特徴（Type-Cのリバーシブル性、PD対応など）も、知識として整理しておきましょう。