「USBキーボード」はどういう仕組みで動作しているのか？

2022年07月05日 23時00分
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多くの人々は何気なく「USBキーボード」をPCに接続して使っていますが、詳しい仕組みについて考えてみた人は多くないかもしれません。「一体どういう仕組みでUSBキーボードは動作しているのか？」という疑問について、ガジェット系YouTuberのベン・イーター氏が解説しています。

How does a USB keyboard work? – YouTube
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今回は電気信号を解析するオシロスコープを用いて、USBキーボードの仕組みを見ていきます。まず、USBキーボードを接続する前のオシロスコープには、「D+(黄色)」と「D-(緑色)」の2本の信号線が表示されています。

DELL製のUSBキーボードをオシロスコープに接続すると、D+は比較的低いままの位置ですが、D-は高い位置へと動きました。

D+が低くD-が高い位置にあることは、USBキーボードが「Low Speed(最大転送速度が1.5Mbps)」のアイドル状態であることを示しています。

つまり、この信号の変化により「USBキーボードがデバイスに接続されていること」および「接続がLow Speedであること」を表しているというわけです。

試しに別のUSBキーボードを接続してみると、こちらは「High Speed(最大転送速度が480Mbps)」だったようでD+は高い位置へ、D-は低い位置へと動きました。

キーを押してもオシロスコープの波形には変化がありませんが、これはUSBキーボードの通信がPC側から始められるため。しかし今回は特別なケーブルに接続して、オシロスコープにUSBキーボードからの信号を反映できるようにして調査します。

すると、オシロスコープに信号が生じました。

ズームするとこんな感じ。

細かく波形を分析するため、ズームした波形をスクリーンショットで記録し……

Photoshopで結合。

そして紙に書き出してみるとこんな波形になります。

ほとんどの部分は「D+が高くD-が低い」または「D+が低くD-が高い」という風に、お互いに反対方向に動く波形になっていますが、ところどころ「D+が低くD-も低い」という状態になっている部分があります。

これはシングルエンドゼロ(SE0)と呼ばれる状態です。

波形にSE0を示すとこんな感じ。

SE0が2ビット続くことは「パケットの終わり」を示すとのことで……

この波形には大きく3つのパケットが含まれていることがわかります。

また、D+が低くD-が高い状態は「J状態」、D+が高くD-が低い状態は「K状態」とされており……

各ビットごとにJ状態とK状態を記入するとこんな感じ。

パケットの終了からしばらくはJ状態が続き、K状態になったところがパケットのスタート地点です。最初は決まって「KJKJKJKK」というパターンから始まりますが、これは「Syncパケット」と呼ばれる信号の同期部分を示しているため、実際のデータはそれ以降の部分に含まれているとのこと。

パケットのデータは「0」と「1」の繰り返しで表されていますが、この波形は「K」と「J」のどちらかが「0」または「1」に対応しているわけではありません。この波形では「前の状態と異なる＝0」、「前の状態と同じ＝1」となっているとのことで、最初の「KJKJKJ…KK」の次にある「K」は「1」を表しています。次に来る「J」は「0」、その次の「K」も「0」、次に来る「K」は「1」という風に0と1を割り当てていくことができます。