シリアル通信の解明：UARTとSPIの詳細解説

エレクトロニクスと組み込みシステムの分野では、デバイス同士が通信できる能力が不可欠です。シリアル通信は、マイクロコントローラー、センサー、周辺機器、さらにはコンピューター間でデータを転送するための信頼性が高く効率的な方法を提供します。最も一般的なシリアル通信プロトコルには、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）とSPI（Serial Peripheral Interface）の2つがあります。この包括的なガイドでは、UARTとSPIの双方の仕組み、違い、応用、利点、欠点を探り、それぞれの詳細に踏み込みます。

シリアル通信の理解

シリアル通信は、並列通信（複数のワイヤーを介して複数のビットを同時に送信する）とは対照的に、1本のワイヤー（または制御信号用の数本のワイヤー）を介して1ビットずつデータを送信する方法です。並列通信は短距離では高速ですが、シリアル通信は一般的に長距離や、ワイヤーの本数を最小限に抑えることが重要な状況で好まれます。これは、スペースとコストがしばしば大きな制約となる組み込みシステムに最適です。

非同期通信と同期通信

シリアル通信は、非同期通信と同期通信の2つのカテゴリに大別できます。UARTのような非同期通信は、送信側と受信側で共有のクロック信号を必要としません。代わりに、各データバイトをフレーム化するためにスタートビットとストップビットに依存します。SPIやI2Cのような同期通信は、共有のクロック信号を使用してデバイス間のデータ送信を同期させます。

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UARTは、そのシンプルさと柔軟性から、広く使用されているシリアル通信プロトコルです。非同期プロトコルであり、送信側と受信側が共通のクロック信号を共有しないことを意味します。これによりハードウェア要件は単純化されますが、正確なタイミングと事前に合意されたデータレート（ボーレート）が必要になります。

UARTの仕組み

UART通信は、各フレームが以下の要素で構成されるフレームでデータを送信します。

• スタートビット：新しいデータフレームの開始を示します。通常はロー（0）信号です。
• データビット：送信される実際のデータで、通常は8ビット（1バイト）ですが、5、6、または7ビットの場合もあります。
• パリティビット（オプション）：エラー検出に使用されます。偶数、奇数、またはなしのいずれかです。
• ストップビット：データフレームの終了を示します。通常はハイ（1）信号です。1つまたは2つのストップビットが一般的です。

送信側と受信側は、正常な通信のためにボーレート、データビット、パリティ、ストップビットに同意する必要があります。一般的なボーレートには、9600、115200などがあります。ボーレートが高いほど高速なデータ転送が可能になりますが、タイミングエラーに対する感度も高まります。

UARTの応用例

• マイクロコントローラーとコンピューターの接続：UARTは、マイクロコントローラー（ArduinoやRaspberry Piなど）とコンピューターの間で、プログラミング、デバッグ、データロギングのためにシリアル接続を確立するためによく使用されます。
• GPSモジュール：多くのGPSモジュールは、UARTを使用してホストマイクロコントローラーまたはコンピューターに位置データを送信します。
• Bluetoothモジュール：Bluetoothモジュールは、マイクロコントローラーとの通信インターフェースとしてUARTをよく使用します。
• シリアルプリンター：古いシリアルプリンターは、印刷コマンドとデータを受信するためにUARTを使用します。
• コンソール出力：組み込みシステムは、デバッグ情報やステータスメッセージをシリアルコンソールに出力するためにUARTをよく使用します。

UARTの利点

• シンプルさ：UARTは、ハードウェアとソフトウェアの両方で比較的簡単に実装できます。
• 柔軟性：UARTは、さまざまなデータレート、データビット長、パリティオプションをサポートします。
• 広くサポートされている：UARTは広くサポートされている標準であり、容易に入手可能なハードウェアおよびソフトウェア実装があります。
• クロック信号不要：これにより、必要なワイヤーの本数が削減されます。

UARTの欠点

• 低速：SPIのような同期プロトコルと比較して、UARTは通常、データ転送速度が遅いです。
• エラーへの脆弱性：信頼性の高いクロック信号がないため、UARTはタイミングエラーやデータ破損に対してより脆弱です。パリティビットは役立つことがありますが、エラーのない通信を保証するものではありません。
• 2つのデバイスに限定：UARTは主に2つのデバイス間のポイントツーポイント通信のために設計されています。マルチプレクシングにより、単一のUARTバスで複数のデバイスを動作させることができますが、複雑さが増します。

UARTの例：Arduinoとシリアルモニター

UARTの一般的な例は、Arduino IDEのシリアルモニターの使用です。Arduinoボードには組み込みのUARTインターフェースがあり、USB経由でコンピューターと通信できます。次のArduinoコードスニペットは、シリアルモニターにデータを送信する方法を示しています。

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 9600ボーレートでシリアル通信を初期化
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // "Hello, world!" メッセージをシリアルモニターに送信
  delay(1000); // 1秒待機
}

このシンプルなコードは、1秒ごとに「Hello, world!」というメッセージをシリアルモニターに送信します。Serial.begin(9600)関数は、ボーレート9600でUARTインターフェースを初期化します。これは、シリアルモニターの設定と一致している必要があります。

SPI：Serial Peripheral Interface

SPI（Serial Peripheral Interface）は、マイクロコントローラーと周辺機器間の短距離通信によく使用される同期シリアル通信プロトコルです。高速性と比較的シンプルなハードウェア要件で知られています。

SPIの仕組み

SPIはマスター・スレーブアーキテクチャを使用します。1つのデバイス（マスター）が通信を制御し、1つ以上のデバイス（スレーブ）がマスターのコマンドに応答します。SPIバスは4つの主要な信号で構成されます。

• MOSI（Master Out Slave In）：マスターからスレーブへ送信されるデータ。
• MISO（Master In Slave Out）：スレーブからマスターへ送信されるデータ。
• SCK（Serial Clock）：マスターによって生成されるクロック信号で、データ送信の同期に使用されます。
• SS/CS（Slave Select/Chip Select）：マスターが通信する特定のスレーブデバイスを選択するために使用される信号。各スレーブデバイスは通常、独自のSS/CSラインを持っています。

データはクロック信号と同期して送信されます。マスターは、対象のスレーブのSS/CSラインをローにプルすることで通信を開始します。次に、データはMOSIラインからマスターにシフトアウトされ、SCK信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジでスレーブにシフトインされます。同時に、データはMISOラインからスレーブにシフトアウトされ、マスターにシフトインされます。これにより、フルデュプレックス通信が可能になり、データを両方向に同時に送信できます。

SPIモード

SPIには、クロック極性（CPOL）とクロック位相（CPHA）の2つのパラメータによって決まる4つの動作モードがあります。これらのパラメータは、SCK信号がアイドル状態のときの状態と、データがサンプリングおよびシフトされるSCK信号のエッジを定義します。

• モード0（CPOL=0, CPHA=0）：SCKはアイドル時にローです。データは立ち上がりエッジでサンプリングされ、立ち下がりエッジでシフトされます。
• モード1（CPOL=0, CPHA=1）：SCKはアイドル時にローです。データは立ち下がりエッジでサンプリングされ、立ち上がりエッジでシフトされます。
• モード2（CPOL=1, CPHA=0）：SCKはアイドル時にハイです。データは立ち下がりエッジでサンプリングされ、立ち上がりエッジでシフトされます。
• モード3（CPOL=1, CPHA=1）：SCKはアイドル時にハイです。データは立ち上がりエッジでサンプリングされ、立ち下がりエッジでシフトされます。

マスターとスレーブデバイスは、正常な通信のために同じSPIモードを使用するように構成する必要があります。そうしないと、データが破損したり、通信が失敗したりします。

SPIの応用例

• メモリカード（SDカード、microSDカード）：SPIは、組み込みシステムでメモリカードとインターフェースするためによく使用されます。
• センサー：加速度計、ジャイロスコープ、温度センサーなどの多くのセンサーは、データ送信にSPIを使用します。
• ディスプレイ：SPIは、LCDおよびOLEDディスプレイを制御するためによく使用されます。
• アナログ・デジタル・コンバーター（ADC）およびデジタル・アナログ・コンバーター（DAC）：SPIは、データ収集および制御アプリケーションのためにADCおよびDACと通信するために使用されます。
• シフトレジスタ：SPIは、マイクロコントローラーで利用可能なデジタルI/Oピンの数を拡張するためにシフトレジスタを制御するために使用できます。

SPIの利点

• 高速：SPIは、UARTと比較して大幅に高いデータ転送速度を提供します。
• フルデュプレックス通信：データを同時に両方向に送信できます。
• 複数のスレーブ：単一のマスターが複数のスレーブデバイスと通信できます。
• 比較的シンプルなハードウェア：SPIは、4本のワイヤー（スレーブデバイスごとに1本のSS/CSラインを追加）しか必要としません。

SPIの欠点

• アドレッシングスキームなし：SPIは、スレーブデバイスを選択するためにSS/CSラインに依存していますが、多数のスレーブがある場合、煩雑になる可能性があります。
• 短距離：SPIは、高速度での信号劣化のため、一般的に短距離に制限されます。
• エラー検出なし：SPIには組み込みのエラー検出メカニズムがありません。エラーチェックはソフトウェアで実装する必要があります。
• より複雑なソフトウェア実装：ハードウェアは比較的シンプルですが、特に複数のスレーブや異なるSPIモードを扱う場合、ソフトウェア実装はUARTよりも複雑になる可能性があります。

SPIの例：加速度計とのインターフェース

人気のあるADXL345などの多くの加速度計は、通信にSPIを使用します。ADXL345から加速度データを読み取るには、マイクロコントローラー（マスターとして機能）が加速度計（スレーブとして機能）に適切なレジスタを読み取るためのコマンドを送信する必要があります。次の擬似コードは、そのプロセスを示しています。

1. ADXL345のSS/CSラインをローにプルして選択します。
2. 読み取るレジスタのアドレス（例：X軸加速度データの住所）を送信します。
3. MISOラインからデータを読み取ります（X軸加速度値）。
4. Y軸とZ軸についてもステップ2と3を繰り返します。
5. ADXL345のSS/CSラインをハイにプルして非選択します。

特定のコマンドとレジスタアドレスは、加速度計のモデルによって異なります。正確な手順については、常にデータシートを参照してください。

UART対SPI：比較

UARTとSPIの主な違いをまとめた表を以下に示します。

特徴	UART	SPI
通信タイプ	非同期	同期
クロック信号	なし	共有クロック
ワイヤー数	2（TX、RX）	4（MOSI、MISO、SCK、SS/CS）＋スレーブあたり1つのSS/CS
データレート	低	高
フルデュプレックス	通常は半デュプレックス（複雑なソフトウェアでフルデュプレックスをシミュレートできる場合もあります）	フルデュプレックス
エラー検出	パリティビット（オプション）	なし（ソフトウェア実装が必要）
デバイス数	2（ポイントツーポイント）	複数（マスター・スレーブ）
複雑さ	シンプル	複雑
距離	長	短

適切なプロトコルの選択

UARTとSPIのどちらを選択するかは、特定のアプリケーション要件によって異なります。以下の要因を考慮してください。

• データレート：高速なデータ転送が必要な場合は、一般的にSPIがより良い選択肢です。
• 距離：長距離の場合は、UARTがより適しています。
• デバイス数：複数のデバイスが単一のマスターと通信する必要がある場合は、SPIが好まれます。
• 複雑さ：シンプルさが優先事項の場合は、UARTの方が実装が容易です。
• エラー検出：エラー検出が重要である場合は、パリティビットを持つUARTを使用するか、SPIの場合はソフトウェアでエラーチェックを実装することを検討してください。
• 利用可能なハードウェア：一部のマイクロコントローラーは、一方または両方のプロトコルのサポートが限定されている場合があります。決定を下す際に、利用可能なハードウェアリソースを考慮してください。

たとえば、マイクロコントローラーが単一のセンサーから短距離でデータを読み取る必要があるシンプルなセンサーアプリケーションでは、SPIはその高速性からより良い選択肢となるかもしれません。しかし、デバッグ目的でマイクロコントローラーが長距離でコンピューターと通信する必要がある場合は、UARTの方が適切です。

高度な検討事項

I2C（Inter-Integrated Circuit）

このガイドはUARTとSPIに焦点を当てていますが、もう1つの一般的なシリアル通信プロトコルであるI2C（Inter-Integrated Circuit）についても言及することが重要です。I2Cは、同じバス上で複数のマスターおよびスレーブデバイスをサポートする2線式プロトコルです。回路基板上の集積回路間の通信によく使用されます。I2Cは、SPIとは異なり、アドレス指定を使用するため、大規模なデバイスネットワークを簡素化します。

TTL対RS-232

UARTを扱う際には、TTL（Transistor-Transistor Logic）とRS-232の電圧レベルの違いを理解することが重要です。TTLロジックは、論理ローおよびハイをそれぞれ0Vと5V（または3.3V）で表します。一方、RS-232は±12Vの電圧を使用します。TTL UARTをRS-232 UARTに直接接続すると、デバイスが損傷する可能性があります。TTLとRS-232の電圧レベルを変換するには、レベルシフター（MAX232チップなど）が必要です。

エラー処理

UARTとSPIはエラー検出メカニズムが限られているため、ソフトウェアでエラー処理を実装することが重要です。一般的な手法には、チェックサム、巡回冗長検査（CRC）、タイムアウトメカニズムなどがあります。

結論

UARTとSPIは、組み込みシステムおよびそれ以降のための不可欠なシリアル通信プロトコルです。UARTはシンプルさと柔軟性を提供し、マイクロコントローラーをコンピューターやその他のデバイスに長距離で接続するのに適しています。SPIは、センサー、メモリカード、ディスプレイとのインターフェースなど、短距離アプリケーション向けの高速通信を提供します。各プロトコルの仕組み、利点、欠点を理解することで、次の組み込みシステムまたは電子プロジェクトを設計する際に情報に基づいた決定を下すことができます。テクノロジーが進歩するにつれて、これらのシリアル通信方法の応用も進化します。継続的な適応と学習により、エンジニアやホビイストはこれらのプロトコルを最大限に活用できるようになります。