拡張カード

コンピューティングにおいて、拡張カード（拡張ボード、アダプタ カード、周辺機器カード、アクセサリ カードとも呼ばれる）は、コンピュータのマザーボード（バックプレーンも参照）上の電気コネクタまたは拡張スロット（バス スロットとも呼ばれる）に挿入して、コンピュータ システムに機能を追加できるプリント回路基板です。コンピュータのケースとマザーボードの設計によっては、これらのスロットのほとんど（またはすべて）を別の取り外し可能なカードに配置することがあります。通常、このようなカードはボードから上方に突き出ており、拡張カードをマザーボードの上部に平行に配置できるため、 ライザー カードと呼ばれます。

拡張カードを使用すると、コンピュータ システムの機能とインターフェイスを、実行するタスクに適した方法で拡張または補足できます。たとえば、高速マルチチャネル データ取得システムは、簿記用に使用されるパーソナル コンピュータでは役に立ちませんが、産業プロセス制御に使用されるシステムの重要な部分になる可能性があります。拡張カードは、多くの場合、現場で取り付けたり取り外したりできるため、特定の目的に合わせてユーザーがある程度カスタマイズできます。一部の拡張カードは、サポート システム ボードのコネクタに差し込む「ドーターボード」の形をしています。

パーソナル コンピューティングにおける拡張バスと拡張カードの規格として、1974 年のCP/Mオペレーティング システムに関連したS-100 バス、1977 年のオリジナルApple IIコンピュータの 50 ピン拡張スロット(Apple 独自)、 1981 年にIBM PCで導入された IBM の業界標準アーキテクチャ(ISA) 、同じく 1981 年のBBC MicroのAcornのチューブ拡張バス、1987 年の IBM の特許取得済みで独自のマイクロ チャネル アーキテクチャ(MCA) (クローン市場で支持されることはなかった) 、1992 年に ISA に取って代わった大幅に改良された周辺機器相互接続(PCI)、および相互接続を高速通信「レーン」に抽象化し、他のすべての機能をソフトウェア プロトコルに委ねる 2003 年の PCI Express などがあります。

真空管ベースのコンピュータはモジュール構造でしたが、周辺機器の個々の機能はプリント基板だけでなくキャビネット内に収められていました。プロセッサ、メモリ、I/Oカードは、集積回路の開発により実現可能になりました。^{[1]拡張カードにより、I/O、追加メモリ、オプション機能（}浮動小数点ユニットなど）を含むさまざまな種類のデバイスを中央プロセッサに接続できるようになり、プロセッサシステムをユーザーのニーズに適応させることができます。PDP -8から始まったミニコンピュータは、パッシブバックプレーンを介して通信し、パッシブバックプレーンから電力を供給される複数のカードで構成されていました。

拡張スロットを備えた最初の商用マイクロコンピュータは、1973年のMicral Nでした。事実上の標準を確立した最初の企業は、1974年から1975年にかけて開発されたAltair 8800で、これは後に複数のメーカーの標準であるS-100バスになりました。これらのコンピュータの多くは、パッシブバックプレーン設計でもあり、コンピュータのすべての要素（プロセッサ、メモリ、およびI/O）がカードケージに接続され、カード間で信号と電力を受動的に分配しました。

Apple IIなどのシステム用の独自のバス実装は、複数のメーカーの標準と共存していました。

IBM は1981 年に IBM PC で、後に ISA ( Industry Standard Architecture ) バスと呼ばれるようになったものを導入しました。当時、このテクノロジはPC バスと呼ばれていました。1983年に導入されたIBM XTも、(わずかな例外を除いて) 同じバスを使用していました。8 ビットの PC および XT バスは、1984 年の IBM AT の導入により拡張されました。これは、XT 経由でアドレス バスとデータ バスを拡張するために 2 番目のコネクタを使用しましたが、下位互換性があり、8 ビット カードは AT 16 ビット スロットで引き続き使用できました。他のタイプが開発された後、ISA (Industry Standard Architecture) は IBM AT バスの名称になりました。ISA バスのユーザーは、デバイスを適切に接続するために、追加するハードウェアに関する詳細な知識が必要でした。これは、メモリ アドレス、I/O ポート アドレス、および DMA チャネルを、ドライバ ソフトウェアの設定と一致するようにカード上のスイッチまたはジャンパーで構成する必要があったためです。

1987年にPS/2用に開発されたIBMのMCAバスは、同じく同社設計のISAの競合製品であったが、ISAが業界全体で受け入れられ、IBMがMCAのライセンスを取得したことにより、人気がなくなった。Compaqが推進するISAの32ビット拡張バージョンであるEISAは、1997年にMicrosoftがPC 97業界ホワイトペーパーで「レガシー」サブシステムと宣言するまで、一部のPCマザーボードで使用されていた。独自のローカルバス（Compaq参照）とその後のVESAローカルバス規格は、1980年代後半の拡張バスであり、80386および80486 CPUバスに関連付けられているが、排他的ではない。^{[2] [3] [4]} PC /104バスは、ISAバスをコピーした組み込みバスである。

Intel は1993 年にP5ベースのPentium CPUとともに PCI バス チップセットを発売しました。PCI バスは 1991 年に ISA の代替として導入されました。この標準 (現在のバージョン 3.0) は、今日でも PC マザーボードに使用されています。PCI 標準はバス ブリッジングをサポートしており、最大 10 個のデイジー チェーン PCI バスがテストされています。PCMCIAコネクタを使用するCardBus は、PCI から PCI へのブリッジを介して周辺機器をホスト PCI バスに接続する PCI 形式です。Cardbus はExpressCard形式に置き換えられつつあります。

Intel は1997 年に専用のビデオ アクセラレーション ソリューションとしてAGPバスを導入しました。AGP デバイスは、PCI-PCI ブリッジを介して PCI バスに論理的に接続されます。バスと呼ばれていますが、AGP は通常、一度に 1 枚のカードしかサポートしません (レガシー BIOSサポートの問題)。2005 年からは、^PCIとAGP の両方がPCI Expressに置き換えられています。2004 年に承認されたこの規格は、^{シリアル通信インターフェイスを介して論理 PCI プロトコルを実装します。Mini} -ITXなどの小型フォーム ファクタ ボードでは、拡張のためにPC/104(-Plus) またはMini PCIが追加されることがよくあります。

Tandy Computer は、 1000 EXおよび1000 HXモデル用に、XT バスをサポートするカードを小型フォーム ファクタに適応させた PLUS 拡張インターフェイスを設計しました。このインターフェイスは XT バス (別名 8 ビット ISA または XT-ISA) と電気的に互換性があるため、パッシブ アダプタを作成して XT カードを PLUS 拡張コネクタに接続できます。PLUS カードのもう 1 つの特徴は、スタック可能であることです。スタック可能な拡張モジュールを提供したもう 1 つのバスは、IBM PCjrで使用されていた「サイドカー」バスです。これは XT バスと電気的に比較可能だった可能性があります。どちらも基本的に 8088 CPU のアドレス バスとデータ バスを公開し、バッファリングとラッチング、 Intel アドオン チップによって提供される割り込みとDMAの追加、およびいくつかのシステム障害検出ライン (電源正常、メモリ チェック、I/O チャネル チェック) を備えているため、いくつかの類似点があることは間違いありません。繰り返しになりますが、PCjr サイドカーは技術的には拡張カードではなく拡張モジュールです。唯一の違いは、サイドカーがプラスチック ボックス (コネクタが露出する穴がある) に収められた拡張カードであることです。

一般的に、ラップトップはデスクトップ コンピュータ用の拡張カードのほとんどを受け入れることができません。そのため、いくつかのコンパクトな拡張規格が開発されました。

オリジナルのPC カード拡張カード規格は、基本的には ISA バスのコンパクト バージョンです。CardBus拡張カード規格は、PC カード規格を PCI バスのコンパクト バージョンに進化させたものです。オリジナルの ExpressCard 規格は、USB 2.0 周辺機器または PCI Express 1.x x1 デバイスのように動作します。ExpressCard 2.0 では、カードが使用できる別の種類のインターフェイスとして SuperSpeed USB が追加されています。残念ながら、ノート PC にこれらの攻撃を阻止するように構成された IOMMU が搭載されていない限り、CardBus と ExpressCard はDMA 攻撃に対して脆弱です。

上記に対する注目すべき例外の 1 つは、デスクトップ標準の特別な縮小バージョン用の内部スロットが 1 つ含まれていることです。最もよく知られている例は、Mini-PCIまたはMini PCIeです。このようなスロットは通常、「組み込み」ワイヤレス ネットワークを提供したり、個別の GPU を使用してシステムをアップグレードしたりするなど、特定の目的のために設計されています。

Apple Inc.、Tandy、Commodore、Amiga、Atari, Inc.などの他のほとんどのコンピュータ製品ラインは、独自の拡張バスを提供していました。AmigaはZorro II を使用していました。Apple はApple II 周辺カード用に 7 つの 50 ピン スロットを備えた独自のシステムを使用し、その後、1995 年に PCI バスに切り替えるまで、Macintosh シリーズで Processor Direct SlotとNuBusの両方のバリエーションを使用していました。

一般的に言えば、ほとんどの PCI 拡張カードは、そのタイプのソフトウェア ドライバーがあれば、PCI バス ハードウェアを組み込んだどのCPUプラットフォームでも機能します。PCI ビデオ カードや、独自のBIOSやその他の ROM を含むその他のカードでは問題がありますが、VESA 標準に準拠したビデオ カードはセカンダリ モニターとして使用できます。DEC Alpha、IBM PowerPC、および NEC MIPS ワークステーションは PCI バス コネクタを使用しました。^[5] Zorro II と NuBus はどちらもプラグ アンド プレイであり、ユーザーによるハードウェア構成は必要ありません。

その他のコンピュータ バスは、産業用制御、計測機器、科学システムで使用されました。具体的な例としては、最終的にIEEE-488 (別名 GPIB) として標準化された HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus) があります。歴史的によく知られている標準には、 VMEbus、STD Bus、SBus (Sun の SPARCStation に固有) など があります。

Nintendo Entertainment SystemやSega Genesisなど、他の多くのビデオゲーム コンソールには、何らかの形で拡張バスが含まれていました。少なくとも Genesis の場合、拡張バスは独自のものでした。実際、多くのカートリッジ ベースのコンソール ( Atari 2600を除く) のカートリッジ スロットは、システムの内部バスの読み取り機能と書き込み機能の両方を公開していたため、拡張バスとして適格でした。ただし、これらのインターフェイスに接続された拡張モジュールは、機能的には拡張カードと同じですが、物理的形状のため、技術的には拡張カードではありません。

拡張カードの主な目的は、マザーボードで提供されていない機能を提供または拡張することです。たとえば、オリジナルのIBM PC にはオンボード グラフィックスやハード ドライブ機能はありませんでした。その場合、グラフィックス カードとST-506ハード ディスク コントローラ カードが、それぞれグラフィックス機能とハード ドライブ インターフェイスを提供しました。一部のシングル ボード コンピュータでは拡張カードが用意されておらず、ボード上に限定的な変更やカスタマイズ用の IC ソケットしか提供されていない場合があります。信頼性の高いマルチピン コネクタは比較的高価なため、家庭用コンピュータなどの一部の量販システムには拡張スロットがなく、代わりにメイン ボードの端にあるカード エッジ コネクタが使用され、高価なマッチング ソケットが周辺機器のコストに含まれていました。

オンボード機能を拡張する場合、マザーボードは1 つのシリアル RS232 ポートまたはイーサネットポートを提供する場合があります。拡張カードをインストールして、複数の RS232 ポートまたは複数の高帯域幅イーサネットポートを提供することができます。この場合、マザーボードは基本機能を提供しますが、拡張カードは追加または拡張されたポートを提供します。

拡張カードの一方の端には、スロットに収まる接点 (エッジ コネクタまたはピン ヘッダー) があります。これらは、カードとマザーボード上の電子部品間の電気接続を確立します。周辺機器拡張カードには通常、外部ケーブル用のコネクタがあります。PC 互換のパーソナル コンピュータでは、これらのコネクタはキャビネットの背面のサポート ブラケットにありました。産業用バックプレーン システムでは、コネクタはバックプレーン ピンの反対側のカードの上端に取り付けられていました。

マザーボードとケースのフォーム ファクタに応じて、コンピュータ システムには 1 ～ 7 枚の拡張カードを追加できます。バックプレーン システムには 19 枚以上の拡張カードをインストールできます。システムに多くの拡張カードを追加すると、総電力消費量と放熱量が制限要因になります。拡張カードによっては、複数のスロット スペースを占有するものもあります。たとえば、 2010 年現在、市場に出回っているグラフィック カードの多くはデュアル スロット グラフィック カードであり、2 番目のスロットをファン付きのアクティブヒートシンクを配置する場所として使用しています。

一部のカードは「ロープロファイル」カードです。つまり、標準カードよりも短く、HTPCやSFFなどの高さの低いコンピュータシャーシに収まります。（ブラケットとボード領域がはるかに小さい「ロープロファイルPCIカード」標準^[6]があります）。ネットワーク、SAN、モデムカードなどの外部接続に使用される拡張カードのグループは、一般に入力/出力カード（またはI/Oカード） と呼ばれます。

ドーターボード、ドーターカード、メザニンボード、ピギーバックボードは、システムに直接接続する拡張カードです。^[7] ドーターボードには、他のボードを接続するためのプラグ、ソケット、ピンなどの付属品が付いていることがよくあります。ドーターボードは、コンピューターや他の電子機器内の内部接続のみを備えていることが多く、通常はコンピューターバス経由ではなく、マザーボードに直接アクセスします。このようなボードは、コンピューターのさまざまなメモリ容量を向上させたり、以前は接続できなかった特定の種類のネットワークにコンピューターを接続できるようにしたり、ユーザーがゲームなどのさまざまな目的でコンピューターをカスタマイズできるようにするために使用されます。^[8]

ドーターボードは、拡張カードをマザーボードと平行に設置できるようにするためにコンピュータで使用されることがあり、通常は小型フォームファクタを維持するために使用されます。このフォームは、ライザーカードまたはライザーとも呼ばれます。ドーターボードは、特定のモデルに機能が追加され、新しいモデルまたは別のモデルとしてリリースされた場合など、電子機器の基本機能を拡張するために使用されることもあります。最初のモデルを完全に再設計するのではなく、ドーターボードをメインボード上の特別なコネクタに追加することができます。これらは通常、スペーサーまたはスタンドオフで区切られてボードの上に平行に設置され、劇場の中二階のように積み重ねられるため、メザニンカードと呼ばれることもあります。ウェーブテーブルカード（サンプルベースの合成カード）は、多くの場合、この方法でサウンドカードに取り付けられます。

メザニンカードのインターフェース規格には、400ピンFPGAメザニンカード（FMC）、172ピン高速メザニンカード（HSMC）^{[9] [10]} PCIメザニンカード（PMC）、XMCメザニン、アドバンストメザニンカード、​​IndustryPacks（VITA 4）、GreenSpring Computersメザニンモジュールなどがあります。

ドーターボード スタイルの拡張カードの例には次のものがあります。

• 拡張グラフィックスアダプタピギーバックボード、64KBを超えて最大256KBのメモリを追加^[11]
• 拡張メモリピギーバックボード、一部のEMSおよびEEMSボードに追加メモリを追加する^[12]
• ADDドーターボード
• RAID ドーターボード
• ネットワーク インターフェイス コントローラ(NIC) ドーターボード
• CPUソケットドーターボード
• Bluetoothドーターボード
• モデムドーターボード
• AD/DA/DIOドーターカード
• 通信ドーターボード（CDC）
• サーバー管理ドーターボード (SMDC)
• シリアルATAコネクタドーターボード
• ロボットドーターボード
• アクセス制御リストドーターボード
• Arduino「シールド」ドーターボード
• Beaglebone「ケープ」ドーターボード
• Raspberry Pi「HATアドオンボード」^[13]
• ネットワーク ドーターボード (NDB)。一般的には、バス インターフェイス ロジック、LLC、PHY、磁気を 1 つのボードに統合します。

• PCI 拡張(PCI-X)
• PCI エクスプレス(PCIe)
• ミニPCIe
• M.2
• アクセラレーテッド グラフィック ポート(AGP)
• 周辺機器相互接続(PCI)
• 業界標準アーキテクチャ(ISA)
• マイクロチャネルアーキテクチャ(MCA)
• VESA ローカルバス(VLB)
• CardBus/PC カード/PCMCIA (ノートパソコン用)
• ExpressCard（ノートパソコン用）
• オーディオ/モデム ライザー(AMR)
• 通信およびネットワーク ライザー(CNR)
• CompactFlash (ハンドヘルド コンピューター、高速カメラ、ビデオカメラ用)
• SBus (1990 年代のSPARCベースのSunコンピュータ)
• アミーガ ゾロ ビザロ (アミーガ提督)
• NuBus (Apple Macintosh )
• FPGA メザニン カード(FMC)

• 互換性カード
• 中国語カード
• ホストアダプタ
• i-RAM
• M-Module、モジュラーI/Oの産業用メザニン標準
• ネットワークカード
• 物理カード
• ポストカード
• ライザーカード
• TVチューナーカード
• ビデオカード
• CRUVI FPGA Cardecu FPGA ドーターカード標準
• 基板対基板コネクタ（BTB）

• コンピュータの拡張スロットの一覧とピン配置