(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第４２４回］
●ＨＩＤのデータ転送方式
ＵＳＢには４つのデータ転送方式があります。
１）コントロール転送 主にデバイス情報をホストに送るのに使われる
２）インタラプト転送 比較的少量のデータを定期的（１ｍｓ〜２５５ｍｓごと）に送るのに使われる
３）バルク転送 比較的大量のデータを不定期、高速かつ正確に送るのに使われる
４）アイソクロナス転送 大量のデータを高速に転送するのに使われる
このうちＨＩＤではどの転送方式が使われるのか、ということを確認していませんでした。
１）のコントロール転送は、ＨＩＤに限らず、ＵＳＢでは必須（最初の接続時に必要）なのですから、これがデータ転送に使われるかどうかはともかくとして、とにかくＨＩＤでも必要な転送方式であることに違いはありません。
４）のアイソクロナス転送は大量データが対象ですから、これはＨＩＤでは使えないだろうということは、まあおおよそ想像できます。
２）のインタラプト転送が主に使われるらしいということも、あちこちのドキュメントを読んでいるうちに、わかってきました。
さて、しかし３）のバルク転送がＨＩＤで使えるのかどうか、そこのところは、定かではありませんでした。
それについては、前回紹介しました、ＵＳＢ．ＯＲＧのＰＤＦ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ＨＩＤ１＿１１．ｐｄｆ（Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｌａｓｓ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｕｍａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ）に記載があることがわかりました。
その部分を下記に転載いたします。
おお、はっきり書いてありますね。
ＨＩＤではＣｏｎｔｒｏｌ ｐｉｐｅとＩｎｔｅｒｒｕｐｔ ｐｉｐｅを使うと書いてあります。
ということは、Ｂｕｌｋ転送は使えない、ということです。これで納得です。
あ。
パイプというのは、ＵＳＢ接続での「仮想的」なデータ伝送路のことです。
パイプについてはのちほど説明をいたします。
●フレーム、トランザクション、パケット？
前回はインタラプト転送とバルク転送では１データパケットあたりの最大バイト数が６４バイトである、という説明をしました。
それから、ＵＳＢではＨＯＳＴ（パソコン）とＵＳＢ端末がデータのやりとりをするのに、フレームという単位が使われます。ということも書きました。
ＵＳＢはＨＯＳＴ（パソコン）がコントロールをします。
ＵＳＢ機器（端末装置）は完全にＳＬＡＶＥとしてＨＯＳＴ（パソコン）に従属しています。
ＵＳＢ機器からＨＯＳＴ（パソコン）に勝手にデータを送ったり、それを要求することはできません。
ＨＯＳＴ（パソコン）は１ｍｓごとにフレーム（文字通り、まさに「枠」です）という、信号をやりとりするための「ワク」の開始マーク（ＳＯＦ）を送り、その１ｍｓの中で、接続されているＵＳＢ機器に順にポーリングをしながら、ＵＳＢ機器にデータを送ったり、またＵＳＢ機器にデータを送るように要求します。
前回は話を簡単にするために、そのフレームにのせられるデータはパケットという単位にまとめられて、送受信される、という説明をしました。
インタラプト転送では、１パケットあたり最大６４バイトのデータが入れられる、とも説明しました。
そのことは、それで間違いはないのですが、じつはフレームの中で、データが送受信されるときは、「データパケット」単独ではなくて、トランザクションという単位で送受信されるのです。
このあたりがＵＳＢのややこしいところです。
実際にＵＳＢのソフトを書く場合には、こんなことは知らなくても、ファームウェアやアプリケーションソフトウェアが全部処理してくれます。
ですから、「そういうむつかしいことは知らなくてもいいです」で済ましてしまってもよい、はずだったのですけれど…。
私だって、こんなややこしいことは、知らなくて済ませたい、ということで、無視してしまうつもりだったのですよ。
しかしながら、世の中、そうは思い通りにはいかないもので、どうしても、そこのところをパスしてしまうわけにはいかなくなってしまいました。
一番最初にＰＩＣ１８Ｆ４５５０で、わかったような、わからないようなプログラムを書いて（実際ほとんどわかっていなかった）、パソコンに接続してみたところ、うんともすんとも言ってくれなかったために、そういう最も下層のレベルから検証していかざるをえなくなってしまったのです。
まあ、おかげで、しっかり勉強してしまいました（汗）。
フレームとパケットとトランザクションの関係を図に示すとこんな感じになります。
図の上側の帯がＵＳＢケーブルの中を伝送される信号だと思ってください。
時間軸はオシロスコープなどと同じで左から右に進む方向です。
フレームというひとまとまりの信号単位はパソコンから１ｍｓごとにＵＳＢケーブルに送られます。
フレームの先頭には、それを示すマークとしてＳＯＦパケットが置かれます（Ｓｔａｒｔ Ｏｆ Ｆｒａｍｅです）。
そのあと、主にＩＮデータトランザクションやＯＵＴデータトランザクションがＵＳＢのなかを行ったり来たりします。
上のような図を見ると、概念としては、ＨＯＳＴ→ＵＳＢ端末の方向のデータの流れしか思い浮かばないのですが、図は単にＵＳＢケーブルの中を流れる信号の時間推移を表しているだけで（ちょうどオシロの信号のように）、信号の向きを示しているわけではありません。
トランザクションの種類にはデータ以外のものもあるのですが、今はそこまでは踏み込みません。
ＵＳＢの中で扱われる送受信データは、２３２ＣのようにＡＳＣＩＩコードとは限りませんし、それぞれにスタートビットやストップビットがついているわけでもありません。
最大６４バイトのデータが「裸で」送られます。
それはいくらなんでも無茶な話で、当然なんらかの「入れ物」が必要になります。
その入れ物に相当する論理的なまとまりがトランザクションとよばれるものです。
データトランザクションは図の下側に示したように、３つのパケット（信号の最小単位）で構成されます。
●トークンパケット
最初にトークンパケットというものがパソコン側から送られます。
パケットは、信号の同期をとるために、必ずＳＹＮＣという８ビットの信号から開始されます。
その次にそのパケットの種類を示すＰＩＤ（Ｐａｃｋｅｔ ＩＤ）という信号が送られます。
ＰＩＤは４ビットで、そのあとには必ずＰＩＤの各ビットを反転した４ビットのＰＩＤ＿が続きます。
信号の誤りをチェックするためです。
ＰＩＤは４ビットなので、この部分で１６種のパケットが識別されることになります。
トークンパケットはＵＳＢ端末に、これからデータを送出するぞ、ということを知らせたり（ＯＵＴ）、またはＵＳＢ端末に、データを送れ、と要求したり（ＩＮ）するために、パソコンから送出されます。
トークンパケットにはそのほかの種類もありますが、今はそれには触れません。
参考までに。
ＳＹＮＣ信号は、８０Ｈ（’１０００００００’）です。
ＯＵＴトークンパケットを示すＰＩＤは、１Ｈ（’０００１’）で、その後ろに、各ビットの０と１を反転した、ＥＨ（’１１１０’）が続きます。
ＩＮトークンパケットを示すＰＩＤは、９Ｈ（’１００１’）で、その後ろに、各ビットの０と１を反転した、６Ｈ（’０１１０’）が続きます。
トークンパケットでは、ＰＩＤ、ＰＩＤ＿の次に、ＵＳＢ端末を特定するためのアドレス（７ビット）が送られます。
●アドレス
７ビットですから、ＵＳＢ装置は００〜７Ｆの１２８通りのアドレスで区別されます。
なのですが、そのうちのアドレス０だけは特殊な用途のためにリザーブされています。
実際に接続されるＵＳＢ装置には、アドレス１から順に番号が割り当てられて区別されます。
つまり理屈の上では最大１２７個のＵＳＢ装置が接続可能である、ということになります。
もちろん、電気的な負荷など物理的な制約がありますから、実際にそれだけのＵＳＢ装置が接続できるわけではありません。
で、トークンパケットのこのアドレス部分で識別されたＵＳＢ端末装置だけが、このトランザクションに応答することになります。
アドレスの次には、エンドポイント番号（４ビット）が続きます。
●パイプ（エンドポイント）
ＵＳＢは１本のケーブルでパソコンとＵＳＢ装置とを接続していますが、その線を使ってデータを「多重」に伝送します。
ＵＳＢでは何本ものケーブルで複数のＵＳＢ装置をパソコンに接続することができます。
パソコンのＵＳＢ接続ポートが足りない場合には、ハブを使って接続端末を増やすこともできます。
しかし、先ほどの図で説明したＵＳＢ信号の流れは、それぞれのＵＳＢケーブルごとに別々にあるのではなくて、もとのパソコンのところでは、ただ１本の信号として存在しています。
その１本の信号経路の上に、最大１２７個のＵＳＢ機器が乗っかるということになりますから、これは相当の「多重」送受信が要求されることになります。
１２ＭＨｚ（１２Ｍビット／秒）という転送速度の割には、１ｍｓというゆっくりとした間隔でフレームが発行されるのは、そのあたりに理由がありそうです。
最大１２７個のＵＳＢ装置が、パソコンのおおもとのところでは１本のＵＳＢ信号にまとめられてしまう、というだけでも相当の多重信号になるのですが、さらに、個々のＵＳＢ装置が１本の論理的な信号線を確保しているだけではなくて、それぞれのＵＳＢ装置が複数の「論理的」な信号線を持って、パソコンとデータの送受信を行うことができるのです。
そういうことになると、さきほどの７ビットのアドレスだけでは、個々の信号線を区別することはできません。
イメージとしては、たとえばＲＳ２３２Ｃは送信（ＴＸ）と受信（ＲＸ）で別々のラインを使います（これで２ラインです）。
ＵＳＢ装置はそのような送信のラインと受信のラインを、複数本もって、パソコンと接続している、ようなものです。
ＲＳ２３２Ｃでしたら、接続線だらけになってしまいます。
もっともパソコンのＲＳ２３２Ｃには、そんなにたくさんのチャンネルはありません。
スタンダードのデスクトップパソコンでも送信受信がペアのＣＯＭ１、ＣＯＭ２のせいぜい２ポートのみです。
ＵＳＢはその送信と受信を１本のケーブルにのせてしまいます。
だけではなくて、送信、受信も１ラインだけではなくて、目的や必要に応じて、それぞれ複数のラインを定義して使うことができます。
当然この伝送ラインは物理的なものではなくて、物理的な１本のＵＳＢ信号ラインに対して、「仮想的」「論理的」な伝送信号ラインです。
１本の物理的なＵＳＢ信号の上に、多重に乗せられた、仮想的な伝送ラインがパイプです。
で、そのパイプにつけられた名前が「エンドポイント」です。
（注。この表現は「便宜的」です。厳密には、パイプとエンドポイントとは別ものです。そのことは下の説明を読んでいただければ理解していただけると思います。参考までに、次回［第４２５回］もお読みください）
ここのところはちょいとわかりにくいところなのですが、たとえば電話のようなものだと理解してください。
大きな会社では部署ごとに電話を置いて、いくつかの電話番号を持っています。
その電話番号に相当するものがエンドポイント（じつは内線番号）です。
電話番号は同じものは１つしかありませんが、たとえば内線番号は、会社ごとに同じ０〜ＸＸを使います。
エンドポイントもそれと同じで、アドレスで識別されたＵＳＢ装置とパソコンとは複数の仮想的な伝送路であるパイプで接続されていることになります。
ちょうどＨＯＳＴ（パソコン）と１２７個のＵＳＢ端末とが１本の電話ケーブルでつながっていて、各ＵＳＢ端末はそれぞれ内部に複数の内線番号をもつことができる、というようにイメージするとわかりやすいと思います。
この電話は、端末からは、かけることができません。
パソコンからだけ、かけることができます。
パソコンからは必要に応じて、ＵＳＢ端末に対して電話がかけられます。
しかも、その電話は、７ビットの電話番号＋４ビットの内線番号を使って、「ダイレクトイン」でかけられます。
この７ビットの電話番号がアドレスで、４ビットの内線番号がエンドポイント番号です。
ＨＯＳＴ（パソコン）から７ビットのアドレス＋４ビットのエンドポイント番号で「ダイレクトイン」に、ＵＳＢ端末と接続される「仮想的な」データ信号伝送路がパイプです。
ダイレクトインなのですけれど、７ビットのアドレスで、すでに特定のＵＳＢ機器とパソコンがつながっていますから、パイプの番号は「内線番号」だけでよいことになります。
説明がえらく長くなってしまいました。
さきほどのトークンパケットの説明に戻ります。
そういうことで、そのパイプの何番を使うぞ、とＵＳＢ端末に知らせるのが、このエンドポイント番号です。
エンドポイント番号は４ビットですから、０〜Ｆ（０〜１５）になりますが、そのうちエンドポイント０は特殊な目的で使用されます。
また同じエンドポイント番号でも、それが、ＩＮ（パソコンからみて入力）に使われるものと、ＯＵＴ（パソコンからみて出力）に使われるものは、別のパイプとして区別されて扱われます。
パケットの最後には、データビットの誤りを検出するためにＣＲＣというデータビット列が置かれます。
しかしこの部分を使っての誤りチェックはファームウェアが行いますから、ユーザーレベルでは意識する必要はありません。
●データパケット
トークンパケットの次には、いよいよデータパケットが続きます。
トークンパケットが「ＯＵＴトークン」であった場合には、そのあとに続いてパソコンからデータパケットが出力されます。
もし、トークンパケットが「ＩＮトークン」だった場合には、ここでパソコンは指定したＵＳＢ端末からの出力を待ちます。
このとき「ＩＮトークン」パケットに続いてラインにあらわれるデータパケットは、外見からは前述のパソコンから出力されるデータパケットと全く変わりませんが、それとは信号の向きが逆で、ＵＳＢ端末からパソコンに向けて出力されるデータパケットです。
データパケットもデータ本体に先だってＳＹＮＣ（８０Ｈ）信号と、ＰＩＤ、ＰＩＤ＿が送られます。
データパケットを示すＰＩＤは２種類あって、ＤＡＴＡ０が３Ｈ（’００１１’）で、そのあとにＣＨ（’１１００’）が続きます。
もうひとつのデータパケットはＤＡＴＡ１で、ＰＩＤはＢＨ（’１０１１’）で、そのあとに４Ｈ（’０１００’）が続きます。
ＤＡＴＡ０、ＤＡＴＡ１については、のちほど、どこかで説明することになると思います。
そのあと最大６４バイトのデータが続きますが、ここに６４バイト以内の何バイトをのせるのかは、最初にそのＵＳＢ装置がパソコンに接続されたときに、パソコンに送られる情報（デスクリプタ）によって定義されます。
データ本体の最後にも、誤り検出のためのＣＲＣビット列が置かれます。
これでデータパケットが完了します。
●ハンドシェイクパケット
これだけでデータの送受信は完了するように思われますが、データトランザクションは最後に、そのデータが相手方にちゃんと受け取られたかどうかを確認するための、ハンドシェイクパケットが、受信側から出力されて、はじめて完了します。
ハンドシェイクパケットにはＡＣＫ（受信成功）とＮＡＫ（受信失敗）があります。
そのほかにもあるのですが、それについてはここでは触れません。
ハンドシェイクパケットはＳＹＮＣ（８０Ｈ）とＰＩＤ、ＰＩＤ＿だけで構成されます。
ＡＣＫを示すＰＩＤは２Ｈ（’００１０’）で、それに続いてＤＨ（’１１０１’）が送られます。
ＮＡＫを示すＰＩＤはＡＨ（’１０１０’）で、続いて５Ｈ（’０１０１’）が送られます。
２０１０．１．２８ｕｐｌｏａｄ
２０１０．１．２９加筆
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