**ソフトウェア開発者のためのUSB：ユーザースペース USB ドライバー作成入門**

はじめに

USBデバイスのドライバーを書きなさいという指示を受けたとします。
最初は大変そうに思えるかもしれません――ドライバーはカーネルコードで、低レベル、デバッグが難しい…しかし実際にはそうではありません。USBデバイス用のドライバーを書くことは、ソケットを使うアプリケーションを書くほど難しくありません。

この記事は、ハードウェアに触れた経験がなくても USB を利用したい人向けに、USB の概要をわかりやすく紹介します。
「USB in a Nutshell」など詳細なリソースもありますが、ハードウェアの背景知識がないと取り付きづらいものです。USB やソケットを使うために組み込みシステムエンジニアでもネットワークスペシャリストでもなくても構いません。

USB デバイス

ここでは Android スマートフォンのブートローダー（fastboot）モードを使います。理由は次の通りです。

• 取得が簡単
• プロトコルがよく文書化されていてシンプル
• ドライバーが事前にインストールされていることがほとんどないため、OS が実験を妨げません

デバイスをブートローダーにする方法は機種ごとに異なります。一般的には電源投入時にボタンの組み合わせを押し続けます。私の場合は 音量ダウン を押したまま起動します。

手動でデバイスを列挙（Enumeration）

列挙とは、ホストがデバイス自身について情報を問い合わせることです。
USB デバイスをコンピュータに差し込むと、OS は以下の情報から適切なドライバーを決定します。

• USB Device Class → 標準ドライバー
• Vendor ID (VID) と Product ID (PID) → ベンダー固有ドライバー

基本情報

ドライバーがなくても、スマートフォンを PC に差し込むと USB デバイスとして認識されます。
Linux では

lsusb

$ lsusb
Bus 008 Device 014: ID 18d1:4ee0 Google Inc. Nexus/Pixel Device (fastboot)

• Bus / Device – 実際の USB ポートを示す識別子
• ID – VID（

  18d1

  ）と PID（

  4ee0

  ）

VID は USB‑IF が割り当て、PID はメーカーが決めます。

クラスとドライバー情報

lsusb -t

$ lsusb -t
/:  Bus 008.Port 001: Dev 001, Class=root_hub, Driver=xhci_hcd/1p, 480M
   |__ Port 001: Dev 002, If 0, Class=Hub, Driver=hub/4p, 480M
   |__ Port 003: Dev 003, If 0, Class=Hub, Driver=hub/4p, 480M
   |__ Port 002: Dev 014, If 0, Class=Vendor Specific Class, Driver=[none], 480M

最下のデバイスが私たちのスマートフォン（Bus 008、Device 014）です。

Class=Vendor Specific Class

Driver=[none]

Windows の場合

lsusb

が無いので、同じ情報はデバイスマネージャーや USB Device Tree Viewer などで確認できます。

libusb を使った列挙

カーネルコードを書く代わりに、libusb を利用したユーザースペースアプリケーションを書きます。libusb は汎用ドライバーとデバイスをクレームするための API を提供します。

#include <print>
#include <libusb-1.0/libusb.h>

auto hotplug_callback(libusb_context *ctx,
                      libusb_device *device,
                      libusb_hotplug_event event,
                      void *user_data) -> int {
    std::println("Device plugged in!\n");
    return 0;
}

auto main() -> int {
    libusb_context *context = nullptr;
    libusb_init(&context);

    libusb_hotplug_callback_handle hotplug_callback_handle;
    libusb_hotplug_register_callback(
        context,
        LIBUSB_HOTPLUG_EVENT_DEVICE_ARRIVED, // デバイス投入イベント
        LIBUSB_HOTPLUG_ENUMERATE,           // 既に接続されているデバイスも対象
        0x18d1, 0x4ee0,                     // VID / PID
        LIBUSB_HOTPLUG_MATCH_ANY,
        hotplug_callback, nullptr,
        &hotplug_callback_handle);

    while (true) {
        if (libusb_handle_events(context) < 0)
            break;
    }

    libusb_hotplug_deregister_callback(context, hotplug_callback_handle);
    libusb_exit(context);
}

プログラムを実行し、スマートフォンを差し込むと次のように表示されます。

$ ./libusb_enumerate
Device plugged in!

カーネルコードは触れていません。

Windows の場合
既にドライバーがロードされている場合は

libusb_detach_kernel_driver()

を使用します。そうでない場合は Zadig などで WinUSB.sys をインストールしてください。

デバイスとの通信

最も簡単な通信方法は Control エンドポイント（アドレス 0x00） を使うことです。このエンドポイントは標準プロトコルを使用します。ここでは

GET_STATUS

libusb_device_handle *handle = nullptr;
libusb_open(device, &handle);

std::vector<std::uint8_t> data(0xFF);
const auto result = libusb_control_transfer(
    handle,
    uint8_t(LIBUSB_ENDPOINT_IN) |   // デバイスからデータを取得
    LIBUSB_RECIPIENT_DEVICE |
    LIBUSB_REQUEST_TYPE_STANDARD,   // 標準要求
    LIBUSB_REQUEST_GET_STATUS,      // GET_STATUS
    0x00, 0x00,                     // wValue / wIndex
    data.data(), data.size(),
    1000);                          // タイムアウト

if (result >= 0)
    print_bytes(std::span(data).subspan(0, result));

libusb_close(handle);

出力例：

$ ./libusb_enumerate
Addr: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
0000: 01 00

最初のバイトはデバイスがセルフパワーであること（

1

ディスクリプタの要求

ディスクリプタとはデバイスを記述する二進構造です。

GET_DESCRIPTOR

const auto result = libusb_control_transfer(
    handle,
    uint8_t(LIBUSB_ENDPOINT_IN) |   // IN エンドポイント
    LIBUSB_RECIPIENT_DEVICE |
    LIBUSB_REQUEST_TYPE_STANDARD,
    LIBUSB_REQUEST_GET_DESCRIPTOR,  // GET_DESCRIPTOR 要求
    (LIBUSB_DT_DEVICE << 8) | 0,     // 0 番目の Device Descriptor
    0x00,                           // 言語 ID
    data.data(), data.size(),
    1000);

出力例：

$ ./libusb_enumerate
Addr: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
0000: 12 01 00 02 00 00 00 40 D1 18 E0 4E 99 99 01 02
0010: 00 01

USB 規格（第 9.6.1章）に従うと、以下の構造体になります。

struct DeviceDescriptor {
    u8  bLength;
    u8  bDescriptorType;
    u16 bcdUSB;
    u8  bDeviceClass;
    u8  bDeviceSubClass;
    u8  bDeviceProtocol;
    u8  bMaxPacketSize0;
    u16 idVendor;
    u16 idProduct;
    u8  iManufacturer;
    u8  iProduct;
    u8  iSerialNumber;
    u8  bNumConfigurations;
};

idVendor

idProduct

lsusb

他のディスクリプタ（Configuration、Interface、Endpoint、String）も同様に取得できます。

lsusb -v

$ lsusb -d 18d1:4ee0 -v
Bus 001 Device 012: ID 18d1:4ee0 Google Inc. Nexus/Pixel Device (fastboot)
...
Device Descriptor:
    bLength                18
    bDescriptorType         1
    bcdUSB               2.00
    bDeviceClass            0 [unknown]
    ...

このデバイスは、単一の Configuration を持ち、その中に Interface と 2 つの Bulk エンドポイントがあります。

エンドポイント

0x00

エンドポイントには方向もあります。

• IN – ホストがデバイスからデータを要求（ビット7＝1）
• OUT – ホストがデバイスへデータ送信（ビット7＝0）

USB バス上に存在できるカスタムエンドポイントは、制御エンドポイントを除き 127 本までです。

Fastboot プロトコル

Fastboot は Android のブートローダーで使われるシンプルなプロトコルです。

Host → Client

getvar:version

Client → Host

OKAY0.4   // 4 桁のステータスコード + データ

以下は、コマンドを送信し応答を受け取るサンプルです。

libusb_device_handle *handle = nullptr;
libusb_open(device, &handle);
libusb_claim_interface(handle, 0);

std::vector<uint8_t> bytes(64);          // Full‑speed 用に 64 バイト
std::ranges::copy("getvar:version", bytes.begin());

int num_bytes_transferred = 0;
libusb_bulk_transfer(handle,
    LIBUSB_ENDPOINT_OUT | 0x02,   // OUT エンドポイント 0x02
    bytes.data(), bytes.size(),
    &num_bytes_transferred,
    1000);

std::println("Request: {}", std::string_view(reinterpret_cast<const char*>(bytes.data()), num_bytes_transferred));

std::ranges::fill(bytes, 0x00);
num_bytes_transferred = 0;

libusb_bulk_transfer(handle,
    LIBUSB_ENDPOINT_IN | 0x01,    // IN エンドポイント 0x81
    bytes.data(), bytes.size(),
    &num_bytes_transferred,
    1000);

std::println("Response: {}", std::string_view(reinterpret_cast<const char*>(bytes.data()), num_bytes_transferred));

libusb_release_interface(handle, 0);
libusb_close(handle);

実行すると次のように表示されます。

$ ./libusb_enumerate
Request: getvar:version
Response: OKAY0.4

最初の 4 バイト（

OKAY

0.4

おわりに

カーネルコードを触ることなく、ユーザースペースで完全な USB “ドライバー” を実装しました。
USB ドライバーの共通原則は「列挙 → ディスクリプタ取得 → エンドポイント設定 → プロトコル通信」です。
MTP などより複雑なプロトコルでも、基本的な仕組みは同じです。TCP 上でソケットを扱うのと比べて決して難しいものではありません。