非同期シリアル通信(ヒドウキシリアルツウシン)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

非同期シリアル通信は、デジタルデータを送受信する際に広く用いられる通信方式の一つだ。この方式では、データを構成する各ビットが一本の伝送路を順次（シリアルに）送られる。そして、「非同期」という言葉が示す通り、送信側と受信側で共通のクロック信号を共有することなく、独立したタイミングで通信を行う点が大きな特徴だ。これにより、配線がシンプルになり、比較的簡単な回路で通信システムを構築できるという利点がある。主にコンピュータと周辺機器、あるいは異なる電子機器間でデータを交換する際に活用され、RS-232Cなどが代表的な規格として知られている。データフレームと呼ばれる単位で情報をやり取りし、その中に通信開始を示すスタートビットや通信終了を示すストップビットを含めることで、受信側はデータを受け取るタイミングを同期させる仕組みを持つ。

シリアル通信は、データを構成する複数のビットを時間的に分割し、一本のデータ線を用いて順番に送る方式を指す。これに対し、複数のデータ線を使い、各ビットを同時に並行して送る方式をパラレル通信と呼ぶ。シリアル通信は、パラレル通信に比べて必要な配線数が少なく、長距離でのデータ伝送における信号劣化の影響を受けにくいという利点があるため、様々な場面で利用されている。

非同期シリアル通信の「非同期」とは、送信側と受信側がデータの送受信タイミングを同期させるための共通のクロック信号を持たないことを意味する。同期通信では、送信側がデータとともにクロック信号も送るか、あるいは両者が共通のクロック源を参照するが、非同期通信ではそれらの同期信号が不要となる。このため、配線がさらに簡素化され、送受信装置間の距離が離れていても比較的安定した通信が可能となる。

では、共通のクロックがない状態で、受信側はどのようにデータの開始と終了、そして各ビットのタイミングを把握するのだろうか。非同期シリアル通信では、データを「データフレーム」というまとまりで送ることでこの問題を解決する。一つのデータフレームは、通常、以下の要素で構成される。

まず、通信が開始されることを示す「スタートビット」が送られる。スタートビットは、常に特定の論理レベル（例えば、通常ハイレベルで待機している回線がローレベルに変化するなど）に変化することで、受信側にデータの到来を通知する。受信側はこの信号の変化を検知すると、内蔵するクロックでビットをサンプリングするタイミングを取り始める。

次に、実際に送りたい情報である「データビット」が続く。データビットの数は、通信設定によって5ビットから9ビットまで様々だ。通常は下位ビットから順に送られる。

データビットの後に、任意で「パリティビット」が付加されることがある。パリティビットは、データ伝送中の誤りを検出するためのもので、送信されたデータビット群に含まれる1の数の偶奇を調整する。例えば、データビット中の1の数が偶数になるように設定する「偶数パリティ」や、奇数になるように設定する「奇数パリティ」がある。受信側は、受け取ったデータとパリティビットを照合することで、途中でビットが反転するといった伝送エラーを検知できる。ただし、パリティビットではエラーを検出できるが、訂正はできない。

最後に、通信の終了を示す「ストップビット」が送られる。ストップビットは、通常1ビットまたは2ビット分の論理ハイレベルで表現され、次のデータフレームが始まるまでの待機時間を提供し、フレーム間の区切りを明確にする役割を果たす。これにより、受信側は一つのデータフレームの処理を終え、次のスタートビットを待ち受けることができる。

非同期シリアル通信を行う上で非常に重要なのが「ボーレート」の設定だ。ボーレートは、1秒間に送受信できるシンボルの数を表し、通常はビット/秒（bps）として扱われる。送信側と受信側でボーレートが一致していなければ、受信側はスタートビットを検出できても、続くデータビットやストップビットを正しくサンプリングするタイミングを失い、正常な通信はできない。

この通信方式の主な利点は、配線が簡単でコストが低く抑えられること、そして通信プロトコルの実装が比較的容易である点にある。そのため、センサーからのデータ読み取り、組み込みシステムにおけるマイクロコントローラ間の通信、古い周辺機器との接続（RS-232Cなど）といった、速度よりもシンプルさと安定性が求められる用途で広く利用されている。

一方で欠点としては、スタートビットやストップビット、パリティビットといったオーバーヘッドがデータフレームに含まれるため、純粋なデータ転送効率は同期通信に比べて低くなることや、最高転送速度が同期通信に劣ることが挙げられる。また、送受信間のボーレートをはじめとする通信パラメータが一致していないと通信が成立しないという制約もある。しかし、そのシンプルさと堅牢性から、今日でも多くのITシステムや電子機器の基盤技術として活用され続けている。