「USB通信　プロトコル〜接続手順」

USBの実際のプロトコルについて説明します。
USBの接続構成は通信プロトコル上ホストとターゲットとして分けられています。
一般的にはホストはパソコンとなり、ターゲットが周辺機器となります。(ホストがマイコンになることもあります)
USBでは必ずホストが存在しホストを介して制御を行う決まりになっています。
一般的にターゲット側は複雑な バス 管理を行わない分、回路が簡易となりコスト面で優位とされています。反面、ホスト が無ければ ターゲットが使用できない欠点もあります。
が、最近では組み込み機器等で ホスト が無い場合でも ターゲット同士で通信したいという要望が出ており、これを解決するために新たに USB On-The-Go(OTG) という規格やPictBridgeの規格が発表されています。
OTGはホストにもターゲットにもなれるコントローラを内蔵したものを指し、PictBridgeはデジタルカメラとプリンタ間等の画像転送用プロトコルです。

USBの接続は理論上1台のホストと最大127台のターゲットまでを接続できます。
ハブは5段まで階層化でき、スター型の構成となります。
ホスト側からターゲットを見た場合にはプロトコル上ハブの存在を無視して、ホスト対ターゲットは1対多のように仮想的にみることができます。
逆にターゲット側はハブを無視して、ホスト対ターゲットは1対1のように見ることができます。
ただし、実際にはハブ自体もUSBターゲットとして認識されており、このように扱えるのもUSBプロトコルのおかげです。(ここがEthernetのハブとは大きな違いです)

また、USB通信では、ホストとターゲットが通信するために、アドレスとエンドポイントという概念を元に通信を行います。
ホストは1つのシステムの中でユニークなアドレス(１〜127)をターゲットに割り当て、トークンにのせます。また、ターゲット側では各転送(コントロール、バルク、インタラプト、アイソクロナス。転送方式については後述します)に対してバッファ（FIFO）を持つので、バッファに番号をつけます。
このバッファをエンドポイント(0〜15)と呼び、トークンへアドレスと一緒にエンドポイントを指定することでホストとターゲット間の通信が行われます。
また、エンドポイントはそれぞれ、送信用、受信用、送受信用として使用することが可能で、その中のどれで通信できるかを接続時にターゲット側から申告することとなります。
ただし、エンドポイント0はUSB使用上コントロール転送用として予約されています。

個人的には、このアドレスとエンドポイントの関係はTCPやUDPプロトコルでいうIPアドレスとポート番号に似ているところがあると思っています。TCPではIPアドレスはIPプロトコルで、ポート番号はTCPプロトコルと階層化はされていますが、バッファが別であることや使用目的に合わせてエンドポイントを使い分け、それを宛先としているところは同じ考え方だと思います。

更にUSBでは、アドレスとエンドポイントのセットをインターフェイスという単位でまとめて扱えるようになっています。
ただし、このインターフェイスは実際のUSBプロトコルにのるわけではありません。
例えば1つのターゲットが同じエンドポイントを共通で使って複数の機能をもっているとします。
この時インターフェイスという概念があれば、アドレスとエンドポイントのセットではなくインターフェイス番号で機能を選択することが可能となります。
こうすることで、ホストは1つの装置の機能をインターフェイス毎に扱えるためドライバもインターフェイス毎にロードでき、結果、一つの装置で複数の機能を比較的容易に実現することができるようになっています。

1.1.USBの転送方式

2回に渡りUSB通信の概要についてまとめてみました。とても簡単に説明しましたが、USBは以上のようなプロトコルを実装することで、高速かつ高品質の通信が可能となっています。
USB通信は実際にはまだまだ奥が深く、覚えるべきことがたくさんありますが、USBを使えば、今までのRS232C等のインターフェイスを利用する際に必要だった下位のプロトコルの設計が必要なくなり、アプリケーションレイヤーの設計に集中することができるようになります。