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電気通信およびデータ伝送において、シリアル通信は、通信チャネルまたはコンピュータ バスを介してデータを1ビットずつ順番に送信するプロセスです。これは、複数の並列チャネルを持つリンク上で複数のビットがまとめて送信される パラレル通信とは対照的です。
シリアル通信は、ケーブルのコストと同期の難しさからパラレル通信が非実用的となるすべての長距離通信とほとんどのコンピュータ ネットワークで使用されています。新しいシリアル技術では信号の整合性と伝送速度が向上し、パラレル バスのシンプルさ (シリアライザとデシリアライザ ( SerDes ) が不要) の利点を上回り、パラレル バスの欠点 (クロック スキュー、相互接続密度) を上回り始めたため、シリアル コンピュータ バスは短距離でも一般的になっています。PCI からPCI Express (PCIe)への移行がその一例です。
PCIe [2] [3] [4]などの最新の高速シリアルインターフェースは、PAM4 などの変調/エンコード技術を使用して、一度に数ビットずつデータを送信します。PAM4 は、一度に 2 ビットを 1 つのシンボルにグループ化し、複数のシンボルが 1 つずつ送信されます。これは、一度に 1 ビット、つまりシンボルごとに 1 ビットのみを送信する PAM2 または非ゼロ復帰 (NRZ) に代わるものです。[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]シンボルは、シンボルレートまたはボーレートと呼ばれる速度で送信されます。[13] [14] [15] [16]
ケーブル
多くのシリアル通信システムは、もともと何らかのデータ ケーブルを介して比較的長距離にわたってデータを転送するように設計されていました。
事実上、すべての長距離通信では、ケーブルのコストを削減するため、並列ではなく 1 ビットずつデータを送信します。このデータを伝送するケーブル (「シリアル ケーブル」以外) と、そのケーブルが接続されるコンピュータ ポートは、混乱を避けるために、通常、より具体的な名前で呼ばれます。
キーボードとマウスのケーブルとポートは、 PS/2 ポート、Apple Desktop Bus、USBなど、ほぼ例外なくシリアルです。
デジタルビデオを伝送するケーブルも、ほとんどがシリアルです。たとえば、HD-SDIポートに接続された同軸ケーブル、 USB ポートまたはFireWire ポートに接続されたWeb カメラ、IP カメラをPower over Ethernetポートに接続するイーサネット ケーブル、FPD-Link、デジタル電話回線 ( ISDNなど) などです。
一度に 1 ビットずつデータを送信するその他のケーブルとポートには、シリアル ATA、シリアル SCSI 、イーサネットポートに接続されたイーサネット ケーブル、VGA コネクタまたはDVI ポートまたはHDMIポートの事前に予約されたピンを使用するディスプレイ データ チャネルなどがあります。
シリアルバス
多くの通信システムは、通常、同じプリント回路基板上の 2 つの集積回路を、外部ケーブルではなくその基板上の 信号トレースで接続するように設計されていました。
集積回路は、ピンの数が多いほど高価になります。多くの IC では、パッケージ内のピンの数を減らすために、速度が重要でない場合にシリアル バスを使用してデータを転送します。このような低コストで低速のシリアル バスの例としては、RS-232、DALI、SPI、CAN バス、I²C、UNI/O、1-Wireなどがあります。高速のシリアル バスには、 USB、SATA、PCI Express などがあります。
シリアルとパラレル
コンピュータ（またはコンピュータの一部）が互いに通信する通信リンクは、シリアルまたはパラレルのいずれかです。パラレル リンクは、複数のチャネル（ワイヤ、プリント回路トラック、光ファイバーなど）を介して複数のデータ ストリームを同時に送信します。一方、シリアル リンクは単一のデータ ストリームのみを送信します。パラレル通信の根拠は、直接データ レーンをマッピングする方がシリアルにデータを同期するよりも便利で高速だった当時、8 ビットまたは 16 ビットのレジストリ アドレスへの直接メモリ アクセスという追加の利点でした。 [引用が必要]
シリアル リンクは、クロック サイクルごとに送信できるデータ量が少ないため、パラレル リンクよりも劣っているように見えるかもしれませんが、多くの場合、シリアル リンクは、より高いデータ レートを実現するために、パラレル リンクよりも大幅に高速にクロックできます。シリアルをより高いレートでクロックできる要因はいくつかあります。
- 異なるチャネル間のクロックスキューは問題にならない（クロックされていない非同期シリアル通信リンクの場合）。これは、ワイヤまたは導体の長さの不一致によって発生する可能性があります。[17] [18]
- シリアル接続では相互接続ケーブル (ワイヤ/ファイバーなど) が少なくて済むため、占有スペースが少なくなります。余分なスペースにより、チャネルを周囲からより適切に分離できます。
- 近接する導体が少ないため、クロストークはそれほど問題になりません。 [17]
- 電力使用量、電力消費、ケーブル コスト、コンポーネント コスト、IC ダイ領域、PC ボード領域、ESD 保護などの予算を 1 つのリンクに集中させることができます。
並列バスから直列バスへの移行は、集積回路に SerDes を組み込むことを可能にしたムーアの法則によって可能になりました。 [19] 電気シリアルリンクには 1 組のワイヤしか必要ありませんが、並列リンクには複数必要です。したがって、シリアルリンクはコストを節約できます (部品表とも呼ばれます)。差動信号は、長さが一致したワイヤまたは導体を使用し、高速シリアルリンクで使用されます。[20]シリアルリンクでは必要な導体の数が少ないため、長さの一致はより簡単に実行できます。
多くの場合、シリアルはパラレルよりも実装コストが安くなります。多くのIC はパラレル インターフェイスではなくシリアル インターフェイスを備えているため、ピン数が少なくなり、コストが低くなります。
アーキテクチャの例
- ARINC 818航空電子デジタルビデオバス
- Atari SIO (Joe Decuir は、Atari SIO での彼の仕事が USB の基礎になったと考えています)
- バイナリ同期通信BSC - バイナリ同期通信
- CAN制御エリア ネットワーク 車両バス
- ccTalk金銭取引やPOS業界で利用されている
- CoaXPress同軸産業用カメラプロトコル
- 劇場照明のDMX512制御
- イーサネット
- ファイバー分散データインターフェース
- ファイバー チャネル(高速、コンピューターを大容量ストレージ デバイスに接続)
- ファイアワイヤー
- HDMI
- ハイパートランスポート
- InfiniBand (非常に高速、範囲はPCIとほぼ同等)
- I²Cマルチドロップ シリアル バス
- 電子楽器のMIDI制御
- ミリタリースタンダード1553A/B
- モールス信号 電信
- PCIエクスプレス
- プロフィバス
- RS-232 (低速、シリアルポートで実装)
- RS-422マルチドロップ シリアル バス
- RS-423
- RS-485マルチドロップ マルチマスター シリアルバス
- SDI-12産業用センサー プロトコル
- サーコム
- シリアルATA
- シリアル接続SCSI
- シリアル入力およびシリアル出力構成のシフトレジスタ
- SONETおよびSDH (光ファイバーによる高速通信)
- SpaceWire宇宙船通信ネットワーク
- S/PDIFおよびAES3オーディオ通信プロトコル
- SPI
- T-1、E-1およびその派生型（銅線ペアによる高速通信）
- ユニバーサル シリアル バス(周辺機器をコンピューターに接続するためのもの)
- UNI/Oマルチドロップ シリアル バス
- 1-Wireマルチドロップ シリアル バス
参照
- 8N1
- 非同期シリアル通信
- 同期信号と非同期信号の比較
- コンピュータバス
- データ転送
- 目のパターン
- 連邦規格 1037C
- 高レベルデータリンク制御(HDLC)
- デバイス帯域幅のリスト
- ミリタリースタンダード188
- シリアル周辺機器インターフェースバス
- シリアルポート
- 同期シリアル通信
- ユニバーサル非同期受信機/送信機(UART)
参考文献
- ^ Mackenzie, Charles E. (1980). Coded Character Sets, History and Development (PDF) . The Systems Programming Series (第 1 版). Addison-Wesley Publishing Company, Inc. pp. 247– 253. ISBN 978-0-201-14460-4. LCCN 77-90165. 2016年5月26日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2022年12月29日閲覧。
- ^ Robinson, Dan (2022年1月12日). 「PCIe 6.0の最終仕様が発表：64GTpsのリンク速度が到来…2023年に製品が登場」The Register。
- ^ 「PCIe 7.0 ドラフト 0.5 仕様が利用可能: 2025 年までに PCIe x16 経由 512 GB/S が実現予定」。
- ^ 「PCIe 5.0 は新しい PCS に導入され始めたばかりですが、バージョン 6.0 はすでに登場しています」。2022 年 1 月 12 日。
- ^ シリアル通信インターフェースハンドブック：シリアルデジタル入出力（I/O）標準の包括的な概要。ニューネス。2015年8月21日。ISBN 978-0-12-800671-9。
- ^ 「PAM4: 良くも悪くも | 2019-02-26 | Signal Integrity Journal」。
- ^ 「PAM-4シグナリング」。
- ^ Zhang, Hongtao; Jiao, Brandon; Liao, Yu; Zhang, Geoff. 56G シリアルリンクアプリケーション向け PAM4 シグナリング − チュートリアル(PDF) . DesignCon 2016.
- ^ 「高速シリアル技術における PAM4 シグナリング: テスト、分析、デバッグ」(PDF) (アプリケーション ノート) 。Tektronix。
- ^ Pan, Zhongqi; Yue, Yang (2019年12月3日)。高容量でエネルギー効率の高い光ファイバー通信のための高度なDSP技術。ISBN 978-3-03921-792-2。
- ^ 現代コミュニケーションの基礎。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。2020年8月4日。ISBN 978-1-119-52149-5。
- ^ Kim, Gain (2022年1月). 「高速有線通信向けシングルレーンOFDMベースシリアルリンクの設計空間探索」. IEEE Open Journal of Circuits and Systems . 3 (1). 図2. doi : 10.1109/OJCAS.2022.3189550 . ISSN 2644-1225.
- ^ 「アイダイアグラム：シリアルデータ分析のためのツール」2019年6月4日。
- ^ 「PAM4 変調の利点 | PAM4 シグナリングの欠点」。
- ^ 「受信機コンプライアンステスト用の PAM4 信号を生成する」。2016 年 9 月 20 日。
- ^ 複雑なデジタルハードウェア設計。CRC Press。2024年5月9日。ISBN 978-1-040-01179-9。
- ^ ab 「講義 24」(PDF) . CSE378: マシン構成とアセンブリ言語.
- ^ Ledin, Jim; Farley, Dave (2022年5月4日)。現代のコンピュータアーキテクチャと組織：x86、ARM、RISC-Vアーキテクチャとスマートフォン、PCS、クラウドサーバーの設計を学ぶ。Packt Publishing。ISBN 978-1-80323-823-4。
- ^ 境界 — スキャンハンドブック。シュプリンガー。2003年6月30日。ISBN 978-1-4020-7496-7。
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外部リンク
- ロボット工学のためのシリアルインターフェースチュートリアル（多くの実用的な例が含まれています）
- シリアルインターフェース一覧（ピン配置付き）
- Wiki: シリアルポート
- Visual Studio 2008 シリアル通信用コーディング
- I²C および SPI プロトコルの紹介 2016-03-08 にWayback Machineでアーカイブされました
- シリアル通信入門
- Linux でのシリアルポートプログラミング 2018-07-02 にWayback Machineでアーカイブされました