USBについて知っておくべき情報

この記事はコンピュータバス規格についてです。その他の用途については、USB（曖昧さ回避）。

Universal Serial Bus（USB）は、業界標準であり、USB Implementers Forum（USB-IF）は、多くの種類の電子機器間でのデジタルデータ伝送と電力供給のために使用されます。この仕様は、特に物理的なインターフェース、および通信プロトコルを、パーソナルコンピュータなどのホストとの間、周辺機器（ディスプレイ、キーボード、マスストレージデバイスなど）との間、そしてホストのポート数を増やす中間ハブとの間で定義しています。[2]

1996年に導入されたUSBは、当初はコンピュータへの周辺機器接続を標準化し、シリアルポート、パラレルポート、ゲームポート、およびApple Desktop Bus（ADB）ポート。[3] USBの初期バージョンは、キーボード、マウス、カメラ、プリンター、スキャナー、フラッシュドライブ、スマートフォン、ゲーム機、モバイルバッテリーなど、幅広いデバイスで一般的になりました。[4] USBはその後、コンピューター、モバイルデバイス、周辺機器、電源、その他多くの小型電子機器のほぼすべての一般的なポートを置き換える標準へと進化しました。

最新の標準では、USB-C コネクタは、電源（最大240W）、ディスプレイ（例：DisplayPort、HDMI）、その他多くの用途、および以前のすべてのUSBコネクタを置き換えます。

2024年現在、USBは4世代の仕様で構成されています：USB 1.x、USB 2.0、USB 3.x、およびUSB4。USB4仕様は、「複数のプロトコルを単一の物理インターフェースに結合し、USB4ファブリックの総速度とパフォーマンスを動的に共有できるように設計された、コネクション指向のトンネリングアーキテクチャ」により、データ転送と電力供給機能を強化します。[2] 特に、USB4は以下のトンネリングをサポートします：Thunderbolt 3プロトコル、すなわちPCI Express（PCIe、ロード/ストアインターフェース）およびDisplayPort（ディスプレイインターフェース）。USB4はホスト間インターフェースも追加しています。[2]

各仕様サブバージョンは異なるシグナリングレートをサポートしており、1.5および12 Mbit/sの半二重（USB 1.0/1.1）から80 Gbit/sの全二重（USB4 2.0）まで対応しています。[5][6][7][2] USBは周辺機器への電力供給も行い、最新バージョンの規格では、バッテリー充電や最大240ワットを必要とするデバイス向けに、USB Power Delivery（USB-PD） Rev. V3.1.[8] 長年にわたり、USB(-PD)は携帯電話などの多くのモバイル機器の標準的な電源供給および充電方式として採用され、専用充電器の必要性を減らしてきました。[9]

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USBは、以下の接続を標準化するために設計されました。周辺機器パーソナルコンピュータに、データ交換と電力供給の両方のために使用されます。これは、以下のようなインターフェースを大幅に置き換えました。シリアルポートおよびパラレルポートそして、さまざまなデバイスで一般的になりました。USBを介して接続される周辺機器には、コンピュータのキーボードやマウス、ビデオカメラ、プリンター、ポータブルメディアプレーヤー、携帯（ポータブル）デジタル電話、ディスクドライブ、ネットワークアダプターが含まれます。

USBコネクタは、携帯機器向けの他のタイプの充電ケーブルをますます置き換えています。[10][11][12]

USBコネクタインターフェースは3つのタイプに分類されます。ホスト、ハブ、および周辺機器に見られる多種多様な従来のType-A（上流）およびType-B（下流）コネクタと、最新のType-C（USB-C）コネクタです。これは、USB4に適用可能な唯一のコネクタとして、多くの従来のコネクタを置き換えます。

Type-AおよびType-Bコネクタには、Standard、Mini、Microの各サイズが存在した。標準サイズが最も大きく、主にデスクトップや大型の周辺機器に使用された。Mini-USBコネクタ（Mini-A、Mini-B、Mini-AB）は携帯機器向けに導入されたが、すぐにより薄型のMicro-USBコネクタ（Micro-A、Micro-B、Micro-AB）に取って代わられた。Type-Cコネクタ（USB-Cとも呼ばれる）はUSB専用ではなく、現在USBの唯一の標準規格であり、USB4に必須であるほか、現代のDisplayPortやThunderboltを含む他の規格でも必須とされている。このコネクタはリバーシブルであり、USBを含むさまざまな機能やプロトコルをサポート可能で、一部は必須、多くはハードウェアの種類（ホスト、周辺機器、ハブ）に応じてオプションとなる[13][14]。

USB仕様は後方互換性を提供しており、通常は信号速度、最大供給電力、その他の機能が低下します。USB 1.1仕様はUSB 1.0を置き換えます。USB 2.0仕様はUSB 1.0/1.1と後方互換性があります。USB 3.2仕様はUSB 3.1（およびUSB 3.0）を置き換え、USB 2.0仕様を含みます。USB4はUSB 3.2を「機能的に置き換え」、USB 2.0バスを並行して動作させます。[5][6][7][2]

USB 3.0仕様では、**SuperSpeed**（別名 **SuperSpeed USB**、市場では **SS** と表記）と呼ばれる新しいアーキテクチャとプロトコルが定義されました。これには、新しい信号符号化方式（8b/10bシンボル、5 Gbit/s、後に **Gen 1** とも呼ばれる）のための新たなレーンが含まれており、物理的に5本の追加ワイヤとピンを必要とする全二重データ転送を実現しました。一方で、USB 2.0のアーキテクチャとプロトコルは維持され、USB 2.0との下位互換性のために元の4本のピン/ワイヤがそのまま残された結果、合計で9本のワイヤ（コネクタインターフェースでは9または10ピン、IDピンは配線されない）となりました。

USB 3.1仕様では、SuperSpeedアーキテクチャとプロトコル（SuperSpeed USB）を維持しつつ、新たなコーディングスキーム（128b/132bシンボル、10 Gbit/s、別名Gen 2）を追加したEnhanced SuperSpeed Systemが導入され、さらにSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコル（別名SuperSpeedPlus USB）が追加されました。しばらくの間、SuperSpeed+（SS+）として販売されていました。

USB 3.2仕様[15]では、その他の改良に加えて、Enhanced SuperSpeed Systemに第2レーンが追加され、SuperSpeedPlus USBシステム部分がGen 1×2、Gen 2×1、Gen 2×2の動作モードを実装するようになりました。しかし、システムのSuperSpeed USB部分は依然として1レーンのGen 1×1動作モードを実装しています。そのため、2レーン動作、すなわちUSB 3.2 Gen 1×2（10 Gbit/s）およびGen 2×2（20 Gbit/s）は、Full-Featured USB-Cでのみ可能です。2023年現在、これらはやや稀にしか実装されておらず、Intelは第11世代SoCプロセッサモデルにこれらを搭載し始めましたが、Appleは一度も提供していません。一方、USB 3.2 Gen 1(×1)（5 Gbit/s）およびGen 2(×1)（10 Gbit/s）は、ここ数年かなり一般的です。

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メイン記事：USBハードウェア § コネクタ

各USB接続は、レセプタクルとプラグの2つのコネクタを使用して行われます。画像はレセプタクルのみを示しています：

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Universal Serial Busは、従来の標準またはアドホックな独自インターフェースと比較して、パーソナルコンピュータと携帯電話、コンピュータ周辺機器、モニターなどの周辺デバイスとの間のインターフェースを簡素化し改善するために開発されました。[17]

コンピュータユーザーの視点から見ると、USBインターフェースはいくつかの点で使いやすさを向上させています。

USB規格は、ハードウェアメーカーやソフトウェア開発者にも多くの利点を提供しており、特に実装の容易さにおいて顕著です：

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すべての標準規格と同様に、USBにも設計上のいくつかの制限があります。

製品開発者にとって、USBを使用するには複雑なプロトコルの実装が必要であり、周辺機器に「インテリジェント」コントローラーが搭載されていることを意味します。一般販売を目的としたUSBデバイスの開発者は通常、USB IDを取得する必要があり、そのためにはUSB Implementers Forumに料金を支払う必要があります。USB Implementers Forum（USB-IF）。USB仕様を使用する製品の開発者は、USB-IFとの契約に署名する必要があります。製品にUSBロゴを使用するには、年間料金と組織への加盟が必要です。[17]

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基本的なUSBトライデントロゴ

1995年に7社のグループがUSBの開発を開始しました：[21]Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC、およびNortelが必要です。その目的は、PC背面の多数のコネクタを置き換え、既存のインターフェースのユーザビリティ問題に対処し、USBに接続するすべてのデバイスのソフトウェア設定を簡素化し、外部デバイスおよびプラグアンドプレイ機能。[22] 1979年のAtari SIOシリアルバス（8ビットAtariコンピュータ用）、および1980年のIEEE-488 派生コモドールバス、およびヒューレット・パッカードのHP-ILバスがこのアプローチを先駆けました。[23][24] Appleが主導し、ソニー、パナソニック（松下）、LG、東芝、日立、キヤノン、フィリップスエレクトロニクス、コンパック、トムソン、テキサス・インスツルメンツが参加するコンソーシアムが、1986年からこの概念をさらに発展させ、IEEE 1394 FireWire規格とパテントプール。[25] ジョセフ・C・デクイア、元々はアタリ、その後コモドールに所属し、アタリSIO共通バスの設計者でもあった彼は、マイクロソフトのためにUSBプロジェクトに携わり、関連する米国特許の1つを取得した。[26] アジェイ・バット と彼のチーム[a] はインテルでこの規格に取り組んだ。[28][29] 最初の 集積回路 USBをサポートする集積回路は1995年にインテルによって製造された。[30]

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Basic-Speed USBロゴ

1996年1月にリリースされたUSB 1.0は、1.5 Mbit/s（Low BandwidthまたはLow Speed）および12 Mbit/s（Full Speed）のシグナリングレートを規定しました。[31] タイミングと電力の制限により、延長ケーブルは許可されませんでした。1998年8月にUSB 1.1がリリースされるまで、市場に出回ったUSBデバイスはほとんどありませんでした。USB 1.1は広く採用された最初の改訂版であり、Microsoftが「Legacy-free PC」[32][33][34]と命名したものにつながりました。

USB 1.0および1.1では、標準のタイプAまたはタイプBよりも小さいコネクタの設計は指定されていませんでした。多くの周辺機器に小型タイプBコネクタの設計が登場しましたが、小型コネクタを備えた周辺機器をテザー接続（つまり、周辺機器側にプラグやレセプタクルがない状態）として扱うことで、USB 1.x標準への準拠が妨げられていました。USB 2.0（リビジョン1.01）で小型タイプAコネクタが導入されるまで、既知のものはありませんでした。

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Hi-Speed USBロゴ

USB 2.0は2000年4月にリリースされ、USB 1.xのFull Speedシグナリングレート12 Mbit/s（最大理論データスループット1.2 MByte/s[36]）に加えて、480 Mbit/s（最大理論データスループット53 MByte/s[35]）のより高い最大シグナリングレートを追加しました。この速度はHigh SpeedまたはHigh Bandwidthと呼ばれています。[36]

USB仕様の変更は、エンジニアリングチェンジノーティス（ECN）を介して行われてきました。これらのECNの中で最も重要なものは、USB.orgから入手可能なUSB 2.0仕様パッケージに含まれています。[37]

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メイン記事：USB 3.0

非推奨のSuperSpeed USBロゴ

USB 3.0仕様は2008年11月12日にリリースされ、その管理がUSB 3.0 Promoter GroupからUSB Implementers Forum（USB-IF）に移管され、2008年11月17日のSuperSpeed USB開発者会議で発表されました。[39]

USB 3.0は、SuperSpeedと呼ばれる新しいアーキテクチャとプロトコルを追加し、関連する下位互換性のあるプラグ、レセプタクル、ケーブルを備えています。SuperSpeedプラグとレセプタクルは、標準フォーマットのレセプタクルにおいて、独自のロゴと青色のインサートで識別されます。

SuperSpeedアーキテクチャは、既存の3つの動作モードに加えて、5.0Gbit/sの速度での動作モードを提供します。その効率は、物理シンボルエンコーディングやリンクレベルのオーバーヘッドなど、多くの要因に依存します。5Gbit/sの信号伝送レートにおいて、8b/10bエンコーディング、各バイトの送信には10ビットが必要なため、生のスループットは500 MB/sです。フロー制御、パケットフレーミング、プロトコルオーバーヘッドを考慮すると、アプリケーションへの送信では生のスループットの約3分の2、つまり330 MB/sが現実的です。[40]: 4–19  SuperSpeedのアーキテクチャは全二重；それ以前のすべての実装であるUSB 1.0-2.0は、すべて半二重であり、ホストによって調停されます。[41]

この規格により、低電力および高電力のデバイスは動作可能ですが、SuperSpeedを実装するデバイスは150 mAから900 mAの間で、150 mA刻みで電流を増加させることができます。[40]: 9–9 

USB 3.0はまた、USB Attached SCSI Protocol (UASP)これは、一般にBOT（Bulk-Only-Transfer）プロトコルよりも高速な転送速度を提供します。

USB 3.1[5] 2013年7月にリリースされたバージョンには2つのバリエーションがあります。1つ目はUSB 3.0のSuperSpeedアーキテクチャとプロトコルを維持し、その動作モードは新たにUSB 3.1 Gen 1と命名されました[42][43][44]。2つ目のバージョンは、まったく新しいSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコルを導入し、USB 3.1 Gen 2（SuperSpeed+ USBとして販売）という別の動作モードを備えています。SuperSpeed+は最大信号レートを10 Gbit/sに倍増させ（後にUSB 3.2仕様によりSuperSpeed USB 10 Gbpsとして販売）、ラインエンコーディングのオーバーヘッドを変更によりわずか3%に削減します。エンコーディング方式 から 128b/132b.[42][45]

USB 3.2、2017年9月にリリースされた[15]は、既存のUSB 3.1 SuperSpeedおよびSuperSpeedPlusアーキテクチャとプロトコル、およびそれぞれの動作モードを維持しつつ、新しいUSB-C ファブリック（信号速度10および20 Gbit/s、生データ速度1212および2424 MB/s）を備えています。帯域幅の増加は、USB-Cコネクタのフリップフロップ機能用に元々設計されていた既存の配線を2レーン動作で使用することによるものです。[46]

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USB 3.2仕様以降、USB-IFは新しい命名スキームを導入しました。[47] 異なる動作モードのブランディングを支援するため、USB-IFは5、10、20 Gbit/sの各能力をそれぞれSuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps、SuperSpeed USB 20Gbpsとしてブランド化することを推奨しました。[48]

2023年には再び変更され、[49]「SuperSpeed」が削除され、USB 5Gbps、USB 10Gbps、USB 20Gbpsとなりました。新しいパッケージおよびポートのロゴが採用されました。[50]

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メイン記事：USB4

非推奨の認定USB4ロゴ

USB4仕様は2019年8月29日にUSB Implementers Forumによってリリースされました。[51]

USB4 2.0仕様は2022年9月1日にUSB Implementers Forumによってリリースされました。[52]

USB4は、Thunderbolt 3プロトコル。[53] 40 Gbit/sのスループットをサポートし、Thunderbolt 3との互換性があり、USB 3.2およびUSB 2.0との下位互換性があります。[54][55] このアーキテクチャは、複数のエンドデバイスタイプと動的に単一の高速リンクを共有する方法を定義し、データの種類とアプリケーションに最適な転送を実現します。

期間中CES 2020において、USB-IFとIntelは、すべてのオプション機能をサポートするUSB4製品を許可する意向を表明しました。Thunderbolt 4製品。

USB4 2.0（80 Gbit/s対応）は2022年11月に発表される予定でした。[56][57] さらなる技術詳細は、2022年11月に予定された2回のUSB開発者向けイベントで公開される予定でした。[58][更新が必要]

USB4仕様では、USB4で以下の技術がサポートされなければならないと規定されています。[2]

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2022年9月に導入されたUSB命名方式の概要

（USB仕様とそのマーケティング名称が混在して表示されています。

仕様が誤ってマーケティング名称として使用されることがあるためです。）

[議論中（理由：USB4 20 Gbit/sは存在しない。USB4 2×2はUSB 3.2 2×2と互換性がなく、ロゴも異なる。USB 3.xとUSB4のロゴは異なる。） – 議論]

以前の混乱を招く命名スキームのため、USB-IFは再び変更することを決定しました。2022年9月2日時点で、マーケティング名称は「USB xGbps」という構文に従い、xは転送速度（Gbit/s）を表します。[59] 更新された名称とロゴの概要は、隣接する表で確認できます。

動作モードUSB 3.2 Gen 2×2とUSB4 Gen 2×2、またはUSB 3.2 Gen 2×1とUSB4 Gen 2×1は互換性がなく、交換できません。すべての参加コントローラーは同じモードで動作する必要があります。

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USBシステムは、1つ以上のダウンストリームポート（DFP）[67]を持つホストと複数の周辺機器で構成され、階層型のスター型トポロジを形成します。さらにUSBハブ 含まれる場合があり、最大5階層まで許容されます。USBホストは複数のコントローラを持つことができ、各コントローラは1つ以上のポートを備えます。単一のホストコントローラには最大127台のデバイスを接続できます。[68][40]: 8–29  USBデバイスはハブを介して直列に接続されます。ホストコントローラに内蔵されたハブはルートハブと呼ばれます。

USBデバイスは、デバイス機能と呼ばれる複数の論理的なサブデバイスで構成される場合があります。コンポジットデバイスは、例えば、ウェブカメラ（ビデオデバイス機能）内蔵マイク（オーディオデバイス機能）を搭載。これに代わる方法として、ホストが各論理デバイスに個別のアドレスを割り当て、すべての論理デバイスが物理USBケーブルに接続する内蔵ハブに接続する複合デバイスがあります。

USBエンドポイントは周辺機器上に存在します。ホストへのチャネルはパイプと呼ばれます。

USBデバイスの通信は、**パイプ**（論理チャネル）に基づいています。パイプはホストコントローラとデバイス内の論理エンティティである**エンドポイント**を接続します。パイプはエンドポイントに対応するため、これらの用語は互換的に使用されることがあります。各USBデバイスは最大32個のエンドポイント（16個の入力用と16個の出力用）を持つことができますが、それほど多く持つことは稀です。エンドポイントは、初期化時（物理接続後の**列挙**と呼ばれる期間）にデバイスによって定義および番号付けされるため、比較的永続的ですが、パイプは開閉される可能性があります。

パイプにはストリームとメッセージの2種類があります。

ホストがデータ転送を開始するとき、エンドポイントが指定されたTOKENパケットを送信します。タプル(device_address, endpoint_number) の組み合わせ。ホストからエンドポイントへの転送の場合、ホストは目的のデバイスアドレスとエンドポイント番号を含むOUTパケット（TOKENパケットの一種）を送信する。デバイスからホストへのデータ転送の場合、ホストは代わりにINパケットを送信する。宛先エンドポイントが単方向エンドポイントであり、その製造元が指定した方向がTOKENパケットと一致しない場合（例：製造元指定方向がINであるのにTOKENパケットがOUTパケットである場合）、そのTOKENパケットは無視される。それ以外の場合は受け入れられ、データトランザクションが開始される。一方、双方向エンドポイントはINパケットとOUTパケットの両方を受け入れる。

コンピュータのフロントパネルにある2つのUSB 3.0 Standard-Aレセプタクル（左）と2つのUSB 2.0 Standard-Aレセプタクル（右）

エンドポイントはインターフェースにグループ化され、各インターフェースは単一のデバイス機能に関連付けられます。例外として、エンドポイントゼロはデバイス設定に使用され、どのインターフェースにも関連付けられません。独立して制御されるインターフェースで構成される単一のデバイス機能は、複合デバイスと呼ばれます。複合デバイスは単一のデバイスアドレスのみを持ちます。これは、ホストが機能に対して1つのデバイスアドレスのみを割り当てるためです。

USBデバイスが初めてUSBホストに接続されると、USBデバイスの列挙プロセスが開始されます。列挙は、USBデバイスにリセット信号を送信することから始まります。リセット信号の送信中に、USBデバイスの信号速度が決定されます。リセット後、ホストによってUSBデバイスの情報が読み取られ、デバイスには一意の7ビットアドレスが割り当てられます。デバイスがホストでサポートされている場合、デバイスドライバが読み込まれ、デバイスは設定状態に移行します。USBホストが再起動されると、接続されているすべてのデバイスに対して列挙プロセスが繰り返されます。

ホストコントローラはデバイスへのトラフィックフローを制御するため、ホストコントローラからの明示的な要求なしにUSBデバイスがバス上でデータを転送することはできません。USB 2.0では、ホストコントローラは世論調査トラフィックのためのバス（通常はラウンドロビン方式で動作します。各USBポートのスループットは、USBポートまたはそのポートに接続されたUSBデバイスのうち、低速な方の速度によって決まります。

高速USB 2.0ハブには、高速USB 2.0バスとフルスピードバスおよび低速バスを変換するトランザクショントランスレータと呼ばれるデバイスが含まれています。ハブごと、またはポートごとに1つのトランスレータが存在する場合があります。

各USB 3.0ホストには2つの独立したコントローラがあるため、USB 3.0デバイスは、そのホストに接続されたUSB 2.0以前のデバイスに関係なく、USB 3.0の信号速度で送受信を行います。以前のデバイスの動作信号速度は、従来の方法で設定されます。

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USBデバイスの機能は、USBホストに送信されるクラスコードによって定義されます。これにより、ホストはデバイス用のソフトウェアモジュールをロードし、異なるメーカーの新しいデバイスをサポートできます。

デバイスクラスには以下が含まれます：[70]

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関連項目: USBマスストレージデバイスクラス, ディスクエンクロージャ、および 外付けハードディスクドライブ

A フラッシュドライブ、典型的なUSBマスストレージデバイス

An M.2 (2242) ソリッドステートドライブ (SSD) がコンピュータに接続されたUSB 3.0アダプタに接続

The USBマスストレージデバイスクラス (MSCまたはUMS) は、ストレージデバイスへの接続を標準化します。当初は磁気および光学ドライブを対象としていましたが、後にフラッシュドライブ および SDカード リーダーに対応するよう拡張されました。書き込みロックされたSDカードUSBアダプターを使用すると、ブートメディアの完全性と非破壊性、および元の状態を維持する上で特に有利です。

2005年初頭以降のほとんどのパーソナルコンピュータはUSBマスストレージデバイスから起動できますが、USBはコンピュータの内部ストレージ用の主要バスとして意図されていません。ただし、USBにはホットスワップが可能という利点があり、さまざまな種類のドライブを含むモバイル周辺機器に便利です。

複数のメーカーが外部ポータブルUSBハードディスクドライブ、またはディスクドライブ用の空のエンクロージャを提供しています。これらは、接続されたUSBデバイスの数と種類、およびUSBインターフェースの上限によって制限されますが、内部ドライブに匹敵するパフォーマンスを提供します。外部ドライブ接続の他の競合規格にはeSATAがあります。、ExpressCard、FireWire （IEEE 1394）、そして最近では Thunderbolt.

USBマスストレージデバイスのもう一つの用途は、ホストコンピュータにインストールすることなく、ソフトウェアアプリケーション（ウェブブラウザやVoIPクライアントなど）をポータブルに実行することです。[74][75]

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関連項目:画像転送プロトコル

メディア転送プロトコル (MTP) は、Microsoft によって設計され、USBマスストレージよりもデバイスのファイルシステムへの高レベルなアクセスを提供します。ディスクブロックではなくファイルレベルでのアクセスが可能です。また、オプションのDRM 機能も備えています。MTPは、ポータブルメディアプレーヤー 向けに設計されましたが、その後、Androidオペレーティングシステムバージョン4.1 Jelly BeanおよびWindows Phone 8（Windows Phone 7デバイスはMTPの進化版であるZuneプロトコルを使用していた）以降のものです。その主な理由は、MTPがUMSのようにストレージデバイスへの排他的アクセスを必要とせず、Androidプログラムがコンピュータに接続中にストレージを要求した場合の潜在的な問題を軽減できるからです。主な欠点は、MTPがWindowsオペレーティングシステム以外では十分にサポートされていないことです。

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メイン記事：USBヒューマンインターフェースデバイスクラス

USBマウスやキーボードは、通常、小型のUSB-to-PS/2アダプタを使用することで、古いコンピュータのPS/2ポートでも使用できます。デュアルプロトコル対応のマウスやキーボードの場合、論理回路 使用される場合があります： USBハードウェアキーボードまたはマウスは、USBポートとPS/2ポートのどちらに接続されているかを検出し、適切なプロトコルを使用して通信するように設計されています。[要出典] USBキーボードとマウス（通常は各1台）をPS/2ポートに接続するアクティブコンバーターも存在します。[76]

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デバイスファームウェアアップグレード（DFU）は、ファームウェアUSBデバイスのうち、製造元が提供する改良版により、例えばファームウェアのバグ修正を展開する方法を提供します。ファームウェアアップグレード操作中、USBデバイスは動作モードを変更し、実質的にPROMプログラマー。あらゆるクラスのUSBデバイスは、公式のDFU仕様に従うことでこの機能を実装できます。これにより、DFU互換のホストツールを使用してデバイスを更新できるようになります。[73][77][78]

DFUは、内蔵USBブートローダー機能を備えたマイクロコントローラにおいて、フラッシュメモリプログラミングプロトコルとして使用されることがあります。[79]

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USBデバイスワーキンググループは、オーディオストリーミングに関する仕様を策定し、マイク、スピーカー、ヘッドセット、電話、楽器などのオーディオクラス用途向けに具体的な規格を開発・実装しました。このワーキンググループは、オーディオデバイス仕様の3つのバージョン（USB Audio 1.0、2.0、3.0）を公開しており、これらは「UAC」[82]または「ADC」[83]と呼ばれています。

UAC 3.0は主にポータブルデバイス向けの改善を導入しており、データをバースト送信して低電力モードをより頻繁に維持することによる消費電力の低減や、デバイスの異なるコンポーネントごとに電源ドメインを設け、使用していないときにシャットダウンできるようにするなどの機能があります。[84]

UAC 2.0は、フルスピードに加えてハイスピードUSBをサポートし、マルチチャンネルインターフェースの帯域幅拡大、より高いサンプルレート[85]、低い固有レイテンシ[86][82]、同期モードおよびアダプティブモードにおけるタイミング解像度の8倍の向上を実現しました[82]。また、UAC2ではクロックドメインの概念が導入され、どの入力端子と出力端子が同じソースからクロックを取得しているかに関する情報をホストに提供するとともに、オーディオエンコーディングのサポートが改善されました。DSD、オーディオエフェクト、チャンネルクラスタリング、ユーザーコントロール、デバイス記述。[82][87]

UAC 1.0デバイスは、クロスプラットフォームのドライバ不要の互換性[85]や、一部はMicrosoftがUAC 2.0の公開から10年以上にわたり実装を怠り、最終的にWindows 10で2017年3月20日のCreators Updateによりサポートを追加したことにも起因します[88][89][87]。UAC 2.0はmacOS、iOS、およびLinux、[82] しかしAndroidはUAC 1.0仕様のサブセットのみを実装しています。[90]

USBは3つのアイソクロナス（固定帯域幅）同期タイプを提供しており、[91] これらはすべてオーディオデバイスで使用されます：[92]

USB仕様では当初、非同期モードは「低コストスピーカー」、適応型モードは「ハイエンドデジタルスピーカー」で使用されると説明されていましたが、[96] 実際には逆の認識がハイファイ非同期モードが機能として宣伝され、適応型/同期モードが悪い評判を持つ世界。[97][98][90] 実際には、すべてのタイプは、そのエンジニアリングとアプリケーションの品質に応じて、高品質にも低品質にもなり得る。[94][82][99] 非同期にはコンピュータのクロックから解放される利点があるが、サンプルレート変換複数のソースを組み合わせる場合。

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メイン記事:USBハードウェア § コネクタ

USB委員会が指定するコネクタは、USBの基本的な目標の多くをサポートしており、コンピュータ業界がこれまで使用してきた多くのコネクタから得られた教訓を反映しています。ホストまたはデバイスに取り付けられるメス型コネクタは「レセプタクル」と呼ばれ、ケーブルに取り付けられるオス型コネクタは「プラグ」と呼ばれます。[40]: 2-5–2-6  公式のUSB仕様書では、プラグを表す「male」、レセプタクルを表す「female」という用語も定期的に定義されています。[100]

かつて最も一般的だったUSB Standard-Aプラグは、USBコネクタ現在では多くのレガシーUSBコネクタの一種となっています

USBプラグをレセプタクルに誤って挿入しにくくする設計となっています。USB仕様では、ケーブルプラグとレセプタクルに適切な向きをユーザーが認識できるようにマークを付けることが求められています。[40] ただし、USB-Cプラグはリバーシブルです。USBケーブルや小型USBデバイスは、一部のコネクタで使用されるネジ、クリップ、またはサムターンなしに、レセプタクルからのグリップ力によって固定されます。

USB Mini-B（右）とその後継のUSB Micro-B（左）。これらは、USB Type-C。

異なるAプラグとBプラグにより、誤って2つの電源を接続することを防ぎます。しかし、多目的USB接続（例：USB On-The-GoスマートフォンやUSB給電のWi-Fiルーターなど）の登場により、この有向トポロジーの一部は失われ、A-to-A、B-to-B、場合によってはY/スプリッターケーブルが必要になります。

USBコネクタの種類は、仕様の進化に伴い多様化しました。当初のUSB仕様では、標準Aタイプと標準Bタイプのプラグおよびレセプタクルが詳細に規定されていました。コネクタは異なる形状であり、ユーザーがコンピュータ同士のレセプタクルを接続できないよう設計されていました。標準プラグのデータピンは電源ピンよりも奥まった位置にあり、デバイスがデータ接続を確立する前に電源投入が可能となっています。一部のデバイスは、データ接続の有無によって異なる動作モードで動作します。充電ドックは電源供給のみを行い、ホストデバイスやデータピンを含まないため、対応するUSBデバイスは標準USBケーブルから充電または動作できます。充電ケーブルは電源接続を提供しますが、データ接続は行いません。充電専用ケーブルでは、デバイス側でデータ線が短絡されています。そうでなければ、デバイスが充電器を不適切と判断する可能性があります。

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主な記事:USBハードウェア § ケーブリング

販売されているさまざまなUSBケーブル（香港

USB 1.1規格は、フルスピード（12 Mbit/s）で動作するデバイスでは標準ケーブルの最大長を5メートル（16フィート5インチ）、低速（1.5 Mbit/s）で動作するデバイスでは最大長を3メートル（9フィート10インチ）と規定しています。[101][102][103]

USB 2.0は、高速（480 Mbit/s）で動作するデバイスに対して最大ケーブル長5メートル（16フィート5インチ）を規定しています。[103]

USB 3.0規格は最大ケーブル長を直接指定しておらず、すべてのケーブルが電気仕様を満たすことのみを要求しています。銅配線の場合、AWG 26本のワイヤの場合、実用的な最大長は3メートル（9フィート10インチ）です。[104]

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USBブリッジケーブル、またはデータ転送ケーブルは市場で入手可能で、PC同士の直接接続を提供します。ブリッジケーブルは、ケーブルの中央にチップとアクティブな電子機器を備えた特別なケーブルです。ケーブル中央のチップは両方のコンピュータに対して周辺機器として機能し、コンピュータ間のピアツーピア通信を可能にします。USBブリッジケーブルは、USBポートを介して2台のコンピュータ間でファイルを転送するために使用されます。

Microsoftによって普及したWindows Easy Transfer、Microsoftのユーティリティは、以前のバージョンのWindowsを実行しているコンピュータから新しいバージョンのWindowsを実行しているコンピュータに個人ファイルや設定を転送するために、特別なUSBブリッジケーブルを使用していました。Windows Easy Transferソフトウェアの使用において、このブリッジケーブルはEasy Transferケーブルと呼ばれることもあります。

多くのUSBブリッジ/データ転送ケーブルはまだUSB 2.0ですが、USB 3.0転送ケーブルも多数存在します。USB 3.0はUSB 2.0の10倍高速ですが、USB 3.0転送ケーブルはその設計上、2～3倍の速度しか出ません。[要説明]

USB 3.0仕様では、2台のPCを接続するための電源なしのA-to-Aクロスオーバーケーブルが導入されました。これらはデータ転送用ではなく、診断用途を目的としています。

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USBブリッジケーブルは、USB 3.1仕様で導入されたUSBデュアルロールデバイス機能により、重要性が低下しました。最新の仕様では、USBはType-Cケーブルでシステムを直接接続するほとんどのシナリオをサポートしています。ただし、この機能を動作させるには、接続されたシステムがロールスイッチングをサポートしている必要があります。デュアルロール機能を実現するには、システム内に2つのコントローラーとロールコントローラーが必要です。これはタブレットやスマートフォンなどのモバイルプラットフォームでは期待できますが、デスクトップPCやノートパソコンではデュアルロールをサポートしないことが多いです。[105]

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メイン記事：USBハードウェア § 電力

アップストリームUSBコネクタは、V_BUSピンを介してダウンストリームUSBデバイスに公称5V DCの電力を供給します。

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このセクションでは、USBに以前から存在していた電力配分モデルについて説明します。パワーデリバリー（USB-PD）。PDを使用しないデバイスでは、USBはType-AおよびType-Bコネクタで最大4.5W、USB-Cで最大15Wを提供します。PD以前のすべてのUSB電力は5Vで供給されます。

デバイスに電力を供給するホストにおいて、USBには「ユニットロード」という概念があります。どのデバイスも1ユニット分の電力を消費でき、それ以上の電力が必要な場合は、この離散的な単位で要求することができます。ホストは要求された電力を必ずしも提供する必要はなく、デバイスはネゴシエーションされた以上の電力を消費してはなりません。

1ユニット以下の電力を消費するデバイスは低電力デバイスと呼ばれます。すべてのデバイスは、未構成の状態で起動する際には低電力デバイスとして動作する必要があります。USB 2.0までのUSBデバイスでは、1ユニット負荷は100 mA（または500 mW）ですが、USB 3.0では1ユニット負荷は150 mA（750 mW）と定義されています。フル機能のUSB-Cは、250 mA（または1250 mW）のユニット負荷で低電力デバイスをサポートできます。

1ユニット以上の電力を消費するデバイスは、**高出力**デバイス（一般的な2.5インチハードディスクドライブなど）です。USB 2.0まででは、ホストまたはハブは各デバイスに対して最大2.5Wを、100mA単位の5段階で供給できます。また、SuperSpeedデバイス（USB 3.x）では、ホストまたはハブは最大4.5Wを150mA単位の6段階で供給できます。USB-Cでは、より大きなユニット負荷（250mA、最大7.5W）でのUSB 3.xのデュアルレーン動作が可能です。[106] また、USB-CはUSB BCの代替としてType-C Currentをサポートしており、データ接続を必要とせずに、電源供給能力を簡易な方法で通知します。[107]

バッテリ充電モードを認識するために、専用の充電ポートはD+端子とD−端子間に200Ω以下の抵抗を配置します。D+端子とD−端子間の抵抗が200Ω未満の短絡またはほぼ短絡状態のデータラインは、充電レートが無制限の専用充電ポート（DCP）を示します。[108][109]

標準のUSBに加えて、独自の高出力システムである PoweredUSBをアップグレードするための汎用メカニズムであり、1990年代に開発され、主にレジスターなどのPOS端末で使用されています。

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メイン記事：USB通信 § シグナリング（USB PHY）

USB信号は差動信号上でツイストペア データ線に90 Ω ± 15% 特性インピーダンス。[110] USB 2.0以前の仕様では、単一のペアを半二重（HDx）。USB 3.0以降の仕様では、USB 2.0互換性のために1つの専用ペア、データ転送のために2つまたは4つのペアが定義されています。シングルレーン（×1）バリアントで全二重（FDx）を実現する2本のデータワイヤペアには、少なくともSuperSpeed（SS）コネクタが必要です。2レーン（×2）バリアントで全二重を実現する4つのペアには、USB-Cコネクタが必要です。

USB4 Gen 4は4ペアすべての使用を必要としますが、非対称ペア構成も可能です。[111] この場合、1つのデータワイヤペアが上りデータに使用され、残りの3つが下りデータに使用されるか、その逆になります。USB4 Gen 4はパルス振幅変調の3レベルで構成され、トリットの情報を毎ボー送信される場合、12.8 GHzの送信周波数は25.6 GBdの伝送レートに相当し[112]、11ビットから7トリットへの変換により、理論上の最大伝送速度は40.2 Gbit/sをわずかに超えます。[113]

USB接続は常に、**A端**（ホストまたはハブの下流ポート）と**B端**（周辺機器またはハブの上流ポート）の間で行われます。従来は、ホスト側にType-Aポート、周辺機器側にType-Bポートのみが存在し、対応するケーブルは必ず一方にType-Aプラグ、もう一方にType-Bプラグを備えていたため、この関係は明確でした。USB-C（Type-C）は、従来のType-AおよびType-Bコネクタをすべて置き換える単一のコネクタです。そのため、両端がUSB Type-Cポートを備えている場合、どちらが**ホスト**でどちらが**デバイス**かをネゴシエーション（通信による決定）します。

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メイン記事：USB（通信）§ プロトコル層

USB通信中、データはパケット。最初に、すべてのパケットはホストからルートハブ、さらに必要に応じて追加のハブを経由してデバイスに送信されます。これらのパケットの一部は、デバイスに対して応答としてパケットを送信するよう指示します。

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主な記事: USB (通信) § トランザクション

USBの基本トランザクションは以下の通りです。

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ワイヤレスUSBのロゴ

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USB Implementers Forumは、2015年7月29日にUSBプロトコルに基づくMedia Agnostic USB（MA-USB）v.1.0無線通信規格を発表しました。ワイヤレスUSBはケーブル代替技術であり、ウルトラワイドバンド ワイヤレス技術 最大480 Mbit/sのデータレートに対応。[114]

USB-IFは、MA-USB仕様の初期基盤としてWiGig Serial Extension v1.2仕様を使用しており、SuperSpeed USB（3.0および3.1）およびHi-Speed USB（USB 2.0）に準拠しています。MA-USBを使用するデバイスは、製品が認証プログラムに合格した場合、「Powered by MA-USB」というブランド名が付けられます。[115]

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主な記事: InterChip USB

InterChip USBは、通常のUSBに見られる従来のトランシーバを排除したチップ間接続のバリアントです。HSIC物理層 は約50%少ない電力と75%少ない を使用します基板 の面積をUSB 2.0と比較したものです。[116] これは、SPI および I2C.

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主な記事:USB-C

USB-C（正式名称USB Type-C）は、新しいコネクタと複数の新しい接続機能を定義する規格です。その機能の一つにAlternate Mode（代替モード）があり、USB-Cコネクタとケーブルを介して他のプロトコルを転送できます。これは一般的に、 DisplayPort または HDMI プロトコル。これにより、 コンピュータモニター または テレビ、USB-C経由。

USB 3.2において、他のすべてのコネクタは2レーン動作（Gen 1×2およびGen 2×2）に対応していませんが、1レーン動作（Gen 1×1およびGen 2×1）には使用可能です。[117]

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主な記事：DisplayLink

DisplayLinkは、USBを介して複数のディスプレイをコンピュータに接続できるようにする技術です。2006年頃に導入され、USB-Cのオルタネートモードが登場するまでは、USB経由でディスプレイを接続する唯一の方法でした。これは独自技術であり、USB Implementers Forumによって標準化されておらず、通常は別途 デバイスドライバコンピュータ上で。

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当初、USBはFireWire（IEEE 1394テクノロジーは、ディスクドライブ、オーディオインターフェース、ビデオ機器などの周辺機器を効率的に相互接続する高帯域幅シリアルバスとして設計されました。初期の設計では、USBははるかに低いデータレートで動作し、より簡素なハードウェアを使用していました。キーボードやポインティングデバイスなどの小型周辺機器に適していました。

FireWireとUSBの最も重要な技術的な違いは次のとおりです。

これらの違いやその他の違いは、2つのバスの設計目標の違いを反映している。USBはシンプルさと低コストを目的に設計されたのに対し、FireWireは特にオーディオやビデオといった時間に敏感な用途において、高性能を目的に設計された。理論上の最大信号速度は類似しているものの、実際の使用においてはFireWire 400の方がUSB 2.0のハイバンド幅よりも高速であり[118]、特に外付けハードドライブのような高帯域幅の用途でその差が顕著である[119][120][121][122]。新しいFireWire 800規格はFireWire 400の2倍の速度であり、理論的にも実用的にもUSB 2.0のハイバンド幅よりも高速である[123]。ただし、FireWireの速度面での優位性は、低レベルの技術に依存している。ダイレクトメモリアクセス（DMA）は、セキュリティ上の脆弱性（例えば、DMA攻撃。

USBおよびFireWireを実装するために使用されるチップセットとドライバは、仕様で定められた帯域幅のうち実際にどの程度が達成されるか、また周辺機器との互換性に決定的な影響を与えます。[124]

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IEEE 802.3af、802.3at、802.3bt規格は、Power over Ethernet（PoE）規格は、給電USBよりも詳細な電力ネゴシエーション方式を規定しています。これらは48V DCで動作し、DCまた、USB 2.0（最大2.5W、ケーブル長最大5メートル）と比較して、最大100メートルのケーブルでより多くの電力（802.3afで最大12.95W、802.3at（別名PoE+）で25.5W、802.3bt（別名4PPoE）で71W）を供給できます。このため、PoEは以下の用途で普及しています：Voice over IP電話、セキュリティカメラ、ワイヤレスアクセスポイント、および建物内のその他のネットワーク機器。ただし、USBは距離が短く電力需要が低い場合にはPoEよりも安価です。

イーサネット規格では、ネットワーク機器（コンピュータ、電話など）とネットワークケーブルとの間において、最大1500V ACまたは2250V DCの電気的絶縁を60秒間維持することが求められている[125]。USBにはこのような要件はなく、ホストコンピュータに密接に関連する周辺機器向けに設計されており、実際には周辺機器とホストのグラウンドを接続している。このため、特定の障害条件下で危険な電圧が発生する可能性のある外部配線に接続されるケーブルモデムやDSLモデムなどの周辺機器において、イーサネットはUSBよりも大幅に安全性が優れている[126][127]。

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USB MIDIデバイスクラス定義は、楽器デジタルインターフェース（MIDI）の音楽データをUSB経由で送信します。[128] MIDI機能は拡張され、最大16本の同時仮想MIDIケーブルをサポートし、各ケーブルは通常のMIDIの16チャンネルとクロックを伝送できます。

USBは低コストで物理的に近接した機器に適しています。ただし、Power over EthernetおよびMIDIプラグ規格は、長いケーブルを使用する可能性のあるハイエンド機器において利点があります。USBはグラウンドループ機器間での問題を引き起こします。これは、両方のトランシーバのグランド基準を接続するためです。対照的に、MIDIプラグ規格およびイーサネットは500V以上の絶縁を内蔵しています。

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The eSATAコネクタは、より堅牢なSATAコネクタで、外部ハードドライブやSSDへの接続を目的としています。eSATAの転送速度（最大6Gbit/s）は、USB 3.0（最大5Gbit/s）やUSB 3.1（最大10Gbit/s）と同程度です。eSATAで接続されたデバイスは通常のSATAデバイスとして認識され、内部ドライブと同等の完全なパフォーマンスと完全な互換性を提供します。

eSATAは外部デバイスに電力を供給しません。これはUSBと比較して増大する欠点です。USB 3.0の4.5Wでは外部ハードドライブに電力を供給するのに不十分な場合がありますが、技術は進歩しており、外部ドライブは徐々に必要な電力が少なくなり、eSATAの利点は減少しています。eSATAp（Power over eSATA、別名ESATA/USB）は、2009年に導入されたコネクタで、新しい下位互換性のあるコネクタを使用して接続デバイスに電力を供給します。ノートブックでは、eSATApは通常5Vのみを供給して2.5インチHDD/SSDを駆動します。デスクトップワークステーションでは、さらに12Vを供給して、3.5インチHDD/SSDや5.25インチ光学ドライブなどの大型デバイスを駆動できます。

eSATApサポートは、マザーボードのSATA、電源、USBリソースを接続するブラケットの形でデスクトップマシンに追加できます。

eSATAはUSBと同様に、サポートしていますホットプラグ、ただしOSドライバやデバイスファームウェアによって制限される場合があります。

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主な記事: Thunderbolt（インターフェース）

Thunderboltは、PCI Express および DisplayPort新しいシリアルデータインターフェースに。オリジナルのThunderbolt実装には2つのチャネルがあり、それぞれの転送速度は10 Gbit/sで、合計の一方向帯域幅は20 Gbit/sです。[129]

Thunderbolt 2 はリンクアグリゲーションを使用して、2つの10 Gbit/sチャンネルを1つの双方向20 Gbit/sチャンネルに結合します。[130]

Thunderbolt 3 および Thunderbolt 4 使用 USB-C。[131][132][133] Thunderbolt 3には、2つの物理的な20 Gbit/s双方向チャネルがあり、これらが集約されて1つの論理的な40 Gbit/s双方向チャネルとして機能します。Thunderbolt 3コントローラーは、USB 3.1 Gen 2コントローラーを組み込むことで、USBデバイスとの互換性を提供できます。また、DisplayPort Alternate ModeやUSB4 Fabricを介したDisplayPortも提供可能であり、Thunderbolt 3ポートの機能はUSB 3.1 Gen 2ポートのスーパーセットとなっています。

DisplayPort Alternate Mode 2.0: USB4（USB-C必須）では、ハブがUSB-C Alternate Modeを介してDisplayPort 2.0をサポートする必要があります。DisplayPort 2.0は、HDR10カラーで60Hzの8K解像度をサポートできます。[134] DisplayPort 2.0は最大80 Gbit/sを使用可能で、これはUSBデータに利用可能な帯域の2倍に相当します。これは、すべてのデータを一方向（モニターへ）に送信するため、8本のデータ線をすべて同時に使用できるからです。[134]

仕様がロイヤリティフリーとなり、Thunderboltプロトコルの管理がIntelからUSB Implementers Forumに移管された後、Thunderbolt 3はUSB4仕様に実質的に組み込まれました。USB4製品ではThunderbolt 3との互換性はオプションですが推奨されています。[135]

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主な記事: USB-シリアル変換アダプター

各種 プロトコルコンバータUSBデータ信号を他の通信規格との間で変換するものが利用可能です。

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USB規格の普及により、USB規格を利用した多くのエクスプロイトが存在します。今日、その最大の事例の一つとして知られているのが、USBキラーでは、データラインに高電圧パルスを送信してUSBデバイスを破壊するデバイス。

バージョンMicrosoft Windows以前のWindows XP、Windowsは特定のデバイスでスクリプト（存在する場合）を自動的に実行していました。オートラン、そのうちの1つはUSBマスストレージデバイスであり、悪意のあるソフトウェアを含む可能性があります。[136]