RUTILEA社内で定期的に行っている勉強会の第8回です． 第8回のテーマは”シリアル通信”です.

1. シリアル通信
RUTILEA勉強会
2020/02/21 八鳥孝志

2. 大まかな目標
• コンピュータ同士の通信の種類を知ること
• 最近のコンピュータは大体シリアル通信をしていることを理解
すること
• ArduinoやGRBLを扱う上でのシリアル通信の重要性を学ぶこと

3. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

4. 身近な通信
• 身の回りの通信
Bluetooth，USB，WiFi, ラジオ などなど
• もっと大きく捉えると．．．
会話や手紙も通信！

5. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

6. シリアル通信
• Serial … 連続的な、ひと続きの
• 一度に送受信するデータは１つ
• シリアル通信のイメージ
https://www.lineeye.co.jp/html/term_serialpara.html

7. パラレル通信
• Parallel… 平行の、(…と)平行して
• 一度に複数の情報を送受信する
• パラレル通信のイメージ
https://www.lineeye.co.jp/html/term_serialpara.html

8. シリアル通信
• Serial … 連続的な、ひと続きの
• 一度に送受信するデータは１つ
• シリアル通信のイメージ
こ
ん
に
ち
は
「こんにちは」
「こんにちは」

9. パラレル通信
• Parallel… 平行の、(…と)平行して
• 一度に複数の情報を送受信する
• パラレル通信のイメージ
「 สวัสดี ครับ 」
「 สวัสดี ครับ 」

10. パラレル通信
• Parallel… 平行の、(…と)平行して
• 一度に複数の情報を送受信する
• パラレル通信のイメージ
聖徳太子

11. シリアル通信とパラレル通信の比較
シリアル通信 パラレル通信
通信効率 悪い 良い
配線の数 少ない 多い
配線の複雑さ 複雑 単純
ただしパラレル通信には問題が…
漏話
スキュー

12. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

13. パラレル通信の問題点
• 漏話
混線ともいう
近くの通信回線の通信内容が混じること
原因は電磁誘導など
→ツイスト線，シールド線を用いる
• スキュー
複数の回線のタイミングのズレ
回線の長さや素子の影響で発生
高速通信への障害
https://xtech.nikkei.com/it/article/lecture/20061220/257432/
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%8F%E8%A9%B1

14. 通信の目指すところ
• データ通信速度 が最も重要
• そのほかには
データの信頼性
回路設計の簡便さ
配線の数
などなど
• スキュー
複数の回線のタイミングのズレ
クロック周波数を上げれば上げる
ほど回避が困難に
クロック周波数を上げる
（人で言うところの早口）

15. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

16. まずは分類から… 全二重と半二重通信
• 一方向の通信＝単向通信
• 双方向の通信＝二重通信
半二重通信
送信と受信を切り替える
イメージ）トランシーバー
全二重通信
送信と受信の回線が別にある
イメージ）電話

17. まずは分類から… 同期式と非同期式通信
• クロックとデータの両方を送信＝同期式通信
• 最初にクロックを合わせてデータのみを送信＝非同期式通信
http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/dsPIC/serial1.html

18. シリアル通信の種類
信号線 双方向性 同期方式 通信速度 接続形態 実際の用途
I2C通信 2本 半二重
クロック
（同期式）
0.1 ~ 1
Mbps
１対多
デバイスー
マイコン間
SPI通信 3~4本 全二重
クロック
（同期式）
1 ~ 数 Mbps １対多
デバイスー
マイコン間
UART通信 1~2本 全二重
タイミング
信号（調歩
同期/非同期
式）
0.1 ~
115kbps
１対１（一
部１対多）
マイコンー
マイコン間
https://qiita.com/Gri_Gra/items/b6f901b35d3917ffc580

19. シリアル通信の種類
• RS232C
昔使われていた規格
ピンが多いのは，送信要求や送信可能
を示すピンが存在するため
最大20kbps
電源電源は±5～15 V
• USB(Universal Serial Bus)
非同期式通信
USB3.0 では5Gbps
絶賛活躍中
電源電圧は5V±10%
プロトコルが厳格に決まっている

20. USBについて少し詳しく
• ケーブルの長さは？
USB2.0 最大5m
USB3.0 最大3m
• 転送速度は？
USB2.0 最大480Mbps
USB3.0 最大5Gbps
→転送速度とケーブルの長さは
トレードオフ
→規格以上の長さでも通信可能だが，
ノイズが大きくなるため，
不安定になる可能性がある．

21. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

22. Arduinoはどうなってるの？
• USB接続なのにCOMポート？
USB-to-serial アダプタチップに
よって通信が変換されている．
ArduinoとPCはRS232のプロトコル
の通信をしているが，途中でUSBプ
ロトコルに変換-復元されている．
OSからはRS232で接続されていると
認識される．
COMポート
Windows における，RS232Cポートの呼び方
※GRBLも同様

23. Arduinoはどうなってるの？
• センサの接続はどうするの？
Arduinoに限らずマイコンではピン
の数が限られている．
→センサを複数つけるとすぐにピン
が埋まる．
I2CかSPIを使う
I2C…占有するピンが少ない
遅い
例）センサによく使われる
SPI…占有するピンが多い
速い
例）SDカードやLANなど
• アナログセンサの場合は
一度デジタル変換する必要がある．
※I2C, SPI通信できるピン番号は決まっ
ているので注意

24. I2C通信のケーブルを伸ばすと
• I2Cでは信号線はHighにプル
アップされていて，デバイ
スがLowに落とすことで通
信
• 寄生容量によってL→Hの波
形がなまる
• 寄生容量が速やかに充電さ
れるようにプルアップ抵抗
を小さくする
• 駆動電流に注意！！
Arduinoは通常20mAまで
バスバッファを使うと60mA
https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/articles/analog_d
evices/127585/

25. 目次
• 身近な通信
• シリアル通信 と パラレル通信
• パラレル通信の問題
• シリアル通信の種類
• 実際の事例を交えて
• まとめ

26. まとめ
• 通信にはたくさん種類がある
• 現在その多くがシリアル通信である
• I2C通信やUSBもその一種
• センサを使う開発では，
→センサがアナログかデジタルか
→ポートを一つづつ与えるのか，I2Cなどでバス接続するのか
→ケーブルの長さはどのくらいか，バスバッファは必要か
などに注意しましょう