RS-232Cとは

誤解のしないで下さい！
ここで記述している説明や用語は、厳密に考えるとほとんど間違っています！
間違っているものを平気で書いているとは…？いえいえ間違いですが、それも正しいのです。RS-232C調歩同期通信は、簡単に実現できる通信方式なので様々な機器に実装されています。また、規格の許容範囲も広くいい加減に作っても簡単に別の機器と通信できてしまいます。このため、初めてお付き合いする業者の方とも簡単な打ち合わせだけであっさりと通信できてしまうので、いつの間にかあまり深く考えなくなってしまいました。私だけ…？　いやいや業界の皆さんそうでしょ！最近では、信号が正論理か負論理だったかも忘れてしまう始末。電圧なんてとっくの昔に忘れてしまいました。このページでは、厳密な意味はひとまず保留し、実践で必要な知識、業界での一般的な知識を記述しています。

さて、RS-232Cとは、中低速のシリアル通信と説明しましたが、シリアル通信って何でしょう？
シリアル通信の他にはパラレル通信があります。それぞれ一長一短です。
シリアル通信とパラレル通信の特徴を簡単に説明すると、信号線が１本か複数本かと言った違いです。
これだけで伝送速度の違いが予測できます。信号線が１本より複数本あったほうがより多くの情報を伝えることができます。
# ・・・と書いたものの最近の技術では、シリアル通信の方がパラレル通信より速くなって来ています。？？

どちらの通信でも0と1を表す電気信号を何かのタイミングに合わせて送信するのが、通信の基本となっています。例えば、0を0V、1を5V等で電気信号に変換します。
基本と言うからには応用もある訳で、一度のタイミングで0,1,2,3の何れかを送れる方法やもっと多くの情報を送る手段も編み出されています。
基本的なシリアル通信では、決められたタイミングで信号を変化させてデータを送信します。

RS-232Cでは、大きく分けて2種類のタイミングが存在します。
一つ目は非同期方式、もう一つは同期方式です。
同期方式は、データ伝送の無駄が少なく非同期方式に比べて一定時間により多くの情報を送信することができますが、それなりのハードウェアが必要でプロトコルも難しくなるのでマイコン等のシリアル通信ではあまり使用されません。パソコンに標準で装備されているCOMポートもRS-232Cですが、初めから同期通信機能は省略されています。つまり標準のパソコンでは同期通信は行えません。
非同期方式は、調歩同期方式ともASYNCとも呼ばれているRS-232Cの最も簡単な通信方式です。パソコン(IBM PC/AT互換機)のCOMポートでは、この非同期方式の通信が可能です。

よくボーレートと表現する場合がありますが、これは大きな間違いです。
ボーレートは、モデム等のキャリアの通信速度を表しています。昔のモデムは、ボーレート＝ビットレートだったため、今でもボーレート＝ビットレートと表現されることがあります。最近のモデムは良くできており、ボーレートとビットレートが等しくありません。モデムで矩形波を正弦波に変調する場合、最近のモデムは、周波数変調と振幅変調を組み合わせて、ビットレートを上げています。このため、ボーレート2400でもビットレートで9600bpsでたりします。

つまり1秒当たり1ビットを送信するのであれば、1bpsとなり、8ビットパリティ無しストップビット1ビットとした場合、1バイトのデータを送るには、10秒かかることになります。

計算できましたか？ スタートビットは1ビットなので、1bpsなら送信に1秒かかります。 データビット8なら、同様に8秒。ストップビット1なら同じく1秒。合わせて10秒です。

ハードウェアは、アイドル状態でスタートビットを監視しています。
スタートビットを発見すると、そこでタイミングカウンタをリセットし、カウントを始めます。
そして、今の例では１秒間隔で10回通信ラインを監視するわけです。10回監視したデータをそれぞれのビットデータレジスタに保存して、１バイト揃えば通信終了となります。

二つの機器では同じパラメータで通信を行う必要があります。同じパラメータで通信を行わなければ、ビットが抜けたり、データが化けたりします。 同じに合わせるパラメータは次のパラメータです。

これだけで通信が可能になります。

つまりスタートビットが要でストップビットが不要な気もします。
それでは、ストップビットはなぜ必要なのでしょう？。それは、色々な問題を解決するためです。

これまでに説明したとおり、シリアル通信では、送信側と受信側で同じタイミングで動作しなければなりません。物理的に考えると、同じタイミングで動作することは不可能です。正確なクリスタルクロックを実装しているマイコンであっても、必ず誤差があります。物理的な実世界において同じタイミングとはありえないのです。

このため、とても大きなデータを連続して送信すると、少しずつタイミングがずれてきます。そのうちに、２つの装置間で１ビットの誤差が生じてしまうでしょう。シリアル通信の１ビットずれは致命的です。そこからのデータが全て１ビット狂ってしまいますので、全てのデータが無効なものになってしまいます。

これを防ぐため、1バイト単位に必ずストップビット→スタートビットのデータを挿入し、タイミングのリセットを行っているのです。

また、ストップビットが1ビットでは、データビットやパリティビットと瞬間的に区別できません。これを防ぐために、ストップビットは1.5ビットや2ビット長が選択できるわけです。

プロトコルとは、ソフトウェアで行う通信手順です。
例えば、通信の開始には必ずSTXを送りましょう。とか、最後にBCCをつけましょうとか…。RS-232Cハードウェアでの書式では、1バイトの送信方法しか規定していませんが、通信プロトコルでは複数バイトのバイトデータの並び等を規定します。

双方向通信で、1本の通信ラインだけで通信する方式を半二重通信と呼びます。2本の通信ラインを使用して上りと下りの通信に別々の回線を使用するのであれば、全二重通信です。
RS-232Cは、ほぼ間違いなく全二重通信です。TX(送信)とRX(受信)の信号線が独立しています。このため、上りと下りのデータを同時に送受信することがハードウェア的には可能です。

RS-232Cでは、シグナルグランド(SG)を０Vと定めて、TX線またはRX線の電圧を変化させ信号を伝達させます。これをシングルスイングと呼びます。
シングルスイングでは、複数の信号線が共通のグランド線を共有します。このため、始めに2本のワイヤーが必要になり、信号線が増える毎にワイヤーが1本づつ増えて行きます。信号数＋グランド1本。
RS-422とRS-485では、+の信号線と-の信号線を使って信号を伝達します。+側と-側の信号は必ず逆の電気特性を出力します。例えば0-5Vの電圧を使用するのであれば、+側が5V出力している時は、-側は0Vが出力されえいます。+側が0V出力している時は、-側は5Vです。このように、２本の信号線を使い、片方を正論理、もう片方を負論理として伝送する方式をデュアルスイングと呼びます。
デュアルスイングでは、信号単位に2本のワイヤーを使用します。このため、信号数×2本のワイヤーが必要になります。

電気的には、シングルスイングよりデュアルスイングで信号を送信したほうが、より遠くへ信号を伝えることができます。

RS-232Cは、元々モデムとターミナルを接続する仕様なので、ケーブルの長さは比較的短めで規格化されています。それよりも遠くへモデムを使用せずに通信させるためには、RS-422またはRS-485を利用します。

RS-422とRS-485は、ほとんど同じ規格ですが、RS-422は1対1通信。RS-485は、n対n通信に使用されます。 また、多くの場合半二重通信を採用します。

RS-422とRS-485は、デュアルスイングで通信を行うので、1つのデータ線に2本のワイヤーを使用します。このため、半二重通信の場合は2W(ツーワイヤー)、全二重通信の場合は4W(フォーワイヤー、ヨンワイヤーとも言う)で機器間を接続します。

通信には、エラーがつき物です。BCCは、このエラーを回避するための仕組みです。
BCCの種類としては、サムチェックや水平パリティ、巡回符号(CRC)等があります。
送信側は送信ブロックデータを作成する場合、BCCを計算してブロックに添付します。受信側では受信したブロックデータを送信側と同じ方法でBCC計算し、添付されている実際のBCCと比較します。
受け取ったBCCと受信側で計算したBCCが異なっていれば、通信エラーが発生していることになり、再送手続き等が行われ、データを補完することができます。

サムチェックは、ブロックデータ内の決められた範囲のデータを全て加算します。その加算値の下8bitまたは16bitをBCCとして採用します。
水平パリティは、加算するのではなく排他的論理和で計算します。このため、通常はデータビット長と同じサイズです。
巡回符号は、受信データをビットローテイトしながら、排他的論理和を行います。上記二種類の方法では、2バイト以上のデータでエラーが発生した場合、間違ったブロックデータなのに正しいBCCを計算する確率が高いのですが、巡回符号ではその確立が極めて低くなり、非常に高信頼です。ただし、計算に時間がかかる欠点があります。

その他にBCCではありませんが、重畳符号等も存在します。重畳符号は、ディスクドライブのRAID5の様な符号化形式で、エラーが少ない場合は、壊れたデータから元のデータを復元できる符号化方式です。
これは、計算も複雑になるため滅多に使用されませんが、エラー頻度が高い通信において有効です。

BCCを全ての人がブロックチェッキングコードと思っているわけではありません。
ある業界ではBCC=サムチェックですし、別の業界ではBCC=CRCとなっていたりします。既に説明していますが、RS-232Cの通信プロトコルは、業界や企業により勝手気ままに定められることが多いので、その業界によってスタンダードなBCCが異なっているのです。
初めてお付き合いする別の業者さんとは、BCCに何を使っているかを打ち合わせたほうが良いでしょう。仕様書には漠然とBCCと記述されていることが良くあります。特に新人さん等は、それが世界標準と誤解している場合も…(^^;
ま〜それはそれで、アリなのですが…。

RS-232Cには、同期方式と非同期方式があると説明したとおり、モデムも製品ごとに対応できる方式が決まっています。

モデムは簡単な装置に見えますが、なかなか奥の深い装置です。
RS-232C同士の機器を接続する場合、同じ通信速度で同じ通信書式を使用する必要がありますが、間にモデムを挿入すると、異なった通信速度や通信書式でも通信できたりします。？？？

モデムがダイアルアップを行い、相手モデムがその着信を取ると、モデム間でネゴシエーションが行われます。最初に古い通信規格で通信を行い、可能であれば上位の通信規格を試して…、その時点で最も適した通信規格をお互いに確認しあって通信が開始されます。

昔のモデムは、キャリア信号１周期に１ビットの情報を載せる単純な装置でした。このため、ボーレート＝ビットレートでした。最近のモデムでは、1周期に複数ビットの情報を載せることができます。シリアル通信とパラレル通信の中間の様な、とても奥の深いものなのです。

モデムは、RS-232Cの矩形波を音声信号に載せるため、キャリア信号を使用します。
何も信号が載っていないキャリア信号は、正弦波です。正弦波は、音声信号なので、電話回線に出力することができます。周波数はボーレートで表現されます。
信号を載せるためには、このキャリア信号に変調をかけます。変調には、周波数変調と振幅変調があります。単純なモデムでは、周波数変調を使ってキャリア信号1波形に1bitの情報を載せることができます。
高性能(最近の)なモデムでは、周波数変調と振幅変調を組み合わせて複数のbitをキャリア信号1波形に載せています。
モデム間の距離が長くなると、信号が減衰して振幅変調でエラーが発生してしまいます。このエラーをキャンセルするために、通信の開始時に基本波形をモデムは出力します。受け側のモデムは基本波形を解析して、どの程度信号が減衰しているかを計算します。計算結果により、その後に受信した波形を補正することが可能になり、正常な通信ができるわけです。