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通信規格情報

一般的な通信規格情報です。

シリアル通信

シリアル通信とは、コンピュータと周辺機器を接続する方法の1つです。
コンピュータはすべてのデータを2進数(0か1)に変換し処理をしています。コンピュータと周辺機器を接続するということは、この2進数データをどのようにして送信/受信(伝送)するか、ということになります。シリアル通信では、0か1の情報(1bit)を1本の信号線を用いて1bitずつシリアル(直列)に伝送されるためシリアル通信と呼ばれ、代表的なものにRS-232CやRS-422、RS-485、USB、シリアルATA、CC-Link等があります。

RS-232C

米国電子工業会(EIA)によって標準化されたシリアル通信の規格の1つです。
かつては多くのパソコンにD-SUB25Pが標準で搭載され、主にパソコン本体とプリンタ、モデム、スキャナ等の周辺機器を接続す際に使用されていました。しかし、現在では周辺機器との接続・通信手段にUSB、イーサネット等が用いられるようになり、RS-232Cはレガシーインタフェースに分類されています。

RS-232Cでは、1本の信号線でデータを伝送するシングルエンド伝送を用いており、データを伝送するとき信号線の電圧が-5〜-15Vのとき「1」となり、電圧が+5〜+15Vのとき「0」となります。電圧レベルで伝送するためノイズに弱く、規格ではケーブルの最大長は15mとなっています。 常に外部から電源を供給しているデスクトップパソコンでは高い出力電圧を得られますが、バッテリ等の低い電源で動作するノートパソコンの場合、出力電圧も低くなります。ノートパソコンの中にはRS-232Cのポートが搭載されていても使用しない設定になっているものもあります。この場合、RS-232Cポートを使用するよう設定を行う必要があります。

シリアル通信では、1本の回線を用いてデータを1bitずつ送るので、正確な時間間隔で送ることが重要となります。通信を成功させるためには、データの始まりと終わりを見分け、送信されたデータを正確に取り込む必要があります。このように受信側が送信側の信号に合わせてデータを正確に取り込めるようにすることを「同期を取る」といいます。

同期式

データ送信用の回線とは別にクロックと呼ぶ定周期の信号が同時に送られ、クロック信号のタイミングでデータ信号を読み取る方式を同期式といいます。

非同期式

クロック信号がなく、最初に届いた信号(スタートビット)の長さを測定し、その間隔で信号が送られるとして受信する方式を非同期式といいます。


RS-232Cで使用される信号線の種類
PIN番号 信号名 役割
D-SUB9P D-SUB25P
3 2 SD 送信データ シリアルデータ送信線
2 3 RD 受信データ シリアルデータ受信線
4 20 DTR データ端末レディ データ端末の電源がONしているか等、端末の準備状態を調べる
6 6 DSR データセットレディ 機器の準備状態を調べる
7 4 RS 送信要求 データを送ることを要求するための制御線
8 5 CS 送信許可 送信要求に対する応答信号
5 7 SG 信号用接地 信号線のアース
1 8 CD 受信キャリア検出 受信信号の状態表示
9 22 RI 被呼表示 機器が通信回線から呼び出し(着呼信号)を受信してよいかを表示

※PIN番号について

RS-422

シリアル通信規格の1つです。
ケーブルには2本の電線をより合わせて対にしたツイストペアケーブルが用いられています。2本の電線をより合わせることで、電流が流れるときに生じる磁気を打ち消すような仕組みになっています。その中でシールドしているものをSTP(Shielded Twisted Pair cable)、していないものをUTP(Unshielded Twisted Pair cable)といいます。 コネクタの形状は規格化されていませんが、実際に使用されるものではD-SUB9PやD-SUB25Pが多く、ミニDIN8Pや端子台も使われます。

RS-422では2本の信号線でデータを伝送する差動伝送(ディファレンシャル)を用いており、「+」と「-」の2本の信号線でデータを伝送し +信号線の電圧が -信号線の電圧より高い場合を「1」、低い場合を「0」と判断します。
このように信号線2本の電位差で信号を判断しているため、電線延長による電圧の減衰は「+」と「-」の両方で起こり、「+」と「-」の電位差には影響が少なくなります。0.3Vの電位差で信号と認識するため、比較的ノイズに強く長距離延長が可能となることから、工場のようなノイズが多い環境での使用に適しています。規格ではケーブルの最大長は1.2kmとなっています。

RS-485

シリアル通信の規格の1つで、RS-422の上位互換です。
RS-422が1:nに対し、RS-485はn:mの接続に対応しており、1対の信号線上に最大32台まで接続できるマルチドロップ方式になっています。
複数の機器を接続する場合、回路の終端で信号が反射し、信号波形が乱れてしまうことがあります。このような現象が繰り返し行われていると通信速度を上げることができなかったり、正常なデータ伝送ができなくなることがあります。そこでRS-485回線には信号線の終端に信号線が持つインピーダンスと等しい抵抗(終端抵抗)を入れることで伝送中の反射を抑え、信号波形の乱れを少なくすることができます。 コネクタの形状は規格化されていませんが、実際に使用されるものではRJ-45やD-SUB9P、端子台等があります。その他の仕様はRS-422に準拠します。

USB (Universal Serial Bus)

USBはRS-232Cに代わる次世代インタフェース規格として、1990年代からCompaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC、Telecomの7社により規格化が進められました。
現在USBには、最大伝送速度12Mbps(Full-Speed)のUSB1.1、480Mbps(Hi-Speed)のUSB2.0、そして、2008年に規格化され最大伝送速度がUSB2.0の約10倍の5Gbps(Super-Speed)であるUSB3.0があります。

USB1.1、USB2.0の信号線は、差動伝送に用いるD+ D-の信号線、電源、グラウンドの4本で、通信モードは送信受信ともに1つの伝送路で行う半二重通信です。
USB3.0では新たに、差動伝送に用いるTX+ TX-とRX+ RX-の信号線、そしてグラウンドの計5本の信号線が追加され、通信モードは全二重通信です。送信用と受信用の2つの伝送路があることにより同時に双方からのデータ通信ができるので、従来よりも効率よく高速なデータ通信が可能となっています。

バージョンに関わらずUSBコネクタ接点部分は、電源線が信号線より長くなっています。これはホットプラグ(通電した状態でのコネクタの抜き差し)に対応したもので、挿入するときには電源ピンがまず接続され、その後信号線が接続されます。抜くときは信号線が切断されてから電源が切れるようにすることでデバイスが破壊されないようにしています。
また、ハブを追加することで最大127台の機器が接続可能で、パソコンと接続したときに設定を自動に行うプラグ アンド プレイ機能があります。
これまでのRS-232Cに代わりパソコンと周辺機器の標準インタフェースとして定着しており、現在ほとんどのパソコンにUSBが標準で搭載されています。規格ではケーブルの最大長はUSB1.1、USB2.0で5m、USB3.0では3mですが、それ以上に延長する方法としてUSBリピータケーブルやUSBエクステンダー等があります。

項目 USB3.0
- USB2.0
- - USB1.1
Super-Speed Hi-Speed Full-Speed Low-Speed
伝送速度(物理速度) 5Gbps 480Mbps 12Mbps 1.5Mbps
関連用語

イーサネット (Ethernet) 

イーサネット(ethernet)とは、宇宙空間を満たし光の媒体と考えられていたエーテル(ether)を語源とし、Xerox社とDEC社が考案したLAN規格です。
伝送媒体の状態を監視してデータを送出し、複数のステーションからのデータが衝突したときは再送を行うCSMA/CDを採用しています。現在、特殊な用途を除いて、ほとんどのLANはイーサネットです。 イーサネットは接続形態や最大伝送距離、伝送速度等によってもいくつかの種類に分かれます。

イーサネットの伝送速度は年々高速化しており、今では10Gbpsまで高速化された規格が標準化されています。以前は10Mbpsの10BASE-Tと100Mbpsの100BASE-TXが主流でしたが、1Gbpsの通信を可能にするGigabit Ethernetが登場し、100BASE-TXと物理層の互換性が高い1000BASE-Tが現在最も普及しています。また、最大40Gbpsの伝送速度の40GBASE-Tや最大100Gbpsの伝送速度の100GBASE-TがIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)において調整段階にあります。 なお、「イーサネット(Ethernet)」という表現は元々10MbpsタイプのLAN規格の名称でしたが、現在はFast Ethernet/Gigabit Ethernetを含んだ総称としての意味合いが強まっています。

無線LAN (Wireless LAN)

無線LANとは、無線通信により構築されるLocal Area Networkのことです。
Wi-Fi、ワイヤレスLAN、WLANと呼ばれることもあります。多くの無線LANがIEEE802.11諸規格を使用し構築されています。
無線LANの伝送速度は、IEEE802.11bで最大11Mbps、IEEE802.11a及びIEEE802.11gで最大54Mbps、IEEE802.11nは最大伝送速度600Mbpsです。 ギガビットイーサネット1000BASE-T規格が浸透している有線LANに比べ劣っていましたが、2014年に5GHz帯の電波を使用/最大伝送速度6.93GbpsのIEEE802.11acが正式承認され、高速無線LAN規格として注目を集めています。

無線LANはケーブルを使用しない無線ネットワークのため、
1)パソコンの設置等室内のレイアウト変更が容易に行える。
2)移動が自由である。
3)ケーブル断線等のトラブルを回避できる。
等の利点があります。
一方、無線通信であるため、電波状態によっては通信が不安定になります。無線LANで最も普及しているのが2.4GHzの電波を使用するものですが、この2.4GHz周波数はISMバンド(産業科学医療用バンド)と呼ばれ、非常に多くの機器が存在します。電子レンジとも周波数が重なることから、電波干渉の影響を受けやすくなり、さらに他のネットワーク機器と使用するチャンネルが重なった際には、動作が低下する等の欠点もあります。

また、無線LANについてはセキュリティ面が問題になっており、通信内容が知られてしまう盗聴の危険性や、自分のアクセスポイントを第三者に勝手に利用されてしまう危険性があります。これらの対策として、通信の暗号化、パスワードの変更やMACアドレスによるフィルタリングを行うことが有効です。

規格 使用周波数地域 伝送速度(最大) 通信方式 特長
IEEE802.11b 2.4GHz帯 11Mbps DSSS方式 伝送距離が長く、障害物の影響を受けにくい
IEEE802.11a 5.2GHz帯 54Mbps OFDM方式 周波数が高いため、混信やノイズの影響が少ない
伝送距離が短く、障害物の影響を受けやすい
IEEE802.11g 2.4GHz帯 54Mbps OFDM方式 IEEE802.11aと同じ伝送速度で、IEEE802.11bと互換性がある
IEEE802.11n 2.4/5GHz帯 600Mbps MIMO方式 IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11gと相互接続可能
IEEE802.11ac 5GHz帯 6.93Gbps MIMO方式 IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11nと相互接続可能




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