シリアル通信：原理、種類、実用例

主な特性

シリアルシステムには、タイミングと同期、符号化、誤り検出と制御、フレーミングという技術的な考え方が繰り返し現れる。ボーという用語はシンボルレートを表すためによく用いられる一方、ビットレートは1秒当たりに転送されるデータビット数を測る。フレーミング方式では、バイトの境界を示すためにスタートビットとストップビット、または専用の同期パターンを付加する。単純な非同期シリアルプロトコルは、基本的な誤り検査のためにスタートビット、ストップビット、および任意のパリティビットを使用する。これに対し同期プロトコルは、クロックを交換するか、信号内にタイミング情報を埋め込む。

• タイミング：同期方式と非同期方式は、送信側と受信側がどのように整合を保つかを定める。
• 符号化：媒体上で1と0をどのように表現するか。電圧レベル、パルス、差動信号方式などがある。
• 誤り制御：パリティ、チェックサム、またはより高度な誤り訂正符号を用いる。
• フロー制御：オーバーランを防ぐためのハンドシェイクである。

一般的なインターフェースと例

身近なインターフェースの多くは、本質的にシリアルである。組込みシステムでは、周辺機器の制御にUART、SPI、I2C接続がよく使われる。旧来の機器や産業用機器ではRS-232などの規格が用いられることがあり、民生機器ではUSBや無線を介したシリアル接続が採用される。高性能コンピュータのバスも、幅広いパラレルトラックではなくシリアルレーンを使う方向へ発展してきた。たとえば、現代の拡張技術や相互接続技術ではシリアル物理層が用いられる。イーサネットや多くの広域接続も、物理媒体を通じてデータをシリアルに移動させる。いずれの場合も、1本の接続が意味のある単位に編成されたビット列を伝送する。

典型例としては、MCUが2線式シリアルプロトコルを通じてセンサーと通信する場合、PCのコンソールがシリアル端末インターフェースを使う場合、あるいはモデム接続でビットを搬送波に変調して遠方と通信する場合がある。1ビットずつ転送するという考え方は、一部のシステムバスやポイントツーポイント接続の内部における論理レベルにも当てはまる。

歴史的には、シリアル方式は現代の電子技術よりも古く、電信では1本の回線上で記号を順次送っていた。速度の向上と信号技術の改善に伴い、複数の配線間で生じるタイミングのずれを避けられ、コネクタの複雑さも低減できることから、多くの用途でシリアル接続がパラレル接続より好まれるようになった。この傾向は現在も続いており、設計者は信頼性の高い高速シリアル伝送を実現するため、導体数の削減、差動信号方式、高品質な符号化を重視している。

技術的な詳細と規格への参照については、電気通信の規格、シリアルインターフェースのガイド、ビットとは何かのようなビットレベルの定義、コンピュータのバスなどのバストポロジー、コンピュータネットワークに関するネットワーク設計資料、ならびにデータ転送に関する実用的な解説を参照するとよい。