UART（ユーアート）

2025年10月14日

UART（ユーアート）

英語表記: UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

概要

UARTは、「汎用非同期送受信機」と訳される、コンピュータの構成要素として欠かせないハードウェアモジュールです。これは、コンピュータ内部で高速かつ大量にデータをやり取りするパラレル通信（並列通信）を、外部機器との間でデータ線一本で順序立てて送るシリアル通信（直列通信）へと変換し、その逆の処理も行う役割を担っています。特に、コンピュータの構成要素におけるバス構造（データバス, アドレスバス, 制御バス）が扱うパラレルなデータと、低速な周辺機器や通信ポートが利用するシリアルな信号との間の「通訳」として機能し、シリアル通信の標準的な基盤を提供しています。

詳細解説

バス構造におけるUARTの役割

私たちが今注目しているタクソノミ（コンピュータの構成要素 → バス構造 → シリアル vs パラレル）において、UARTがなぜ重要なのかを理解することが、この概念をマスターする鍵となります。

コンピュータ内部のCPUやメモリは、非常に幅の広いデータバス（例えば64ビット幅）を使って、一度に大量のデータを並行して（パラレルに）やり取りします。これは「高速道路」のようなものです。しかし、コンピュータの外部にあるキーボード、マウス、古くからのモデム、あるいは組み込みシステムのセンサーなど、多くの周辺機器は、コストや配線の都合上、シリアル通信（データ線が少ない、細い山道のようなもの）を利用します。

UARTの最も重要な目的は、この「高速道路（パラレルデータ）」から「細い山道（シリアルデータ）」への切り替え、そしてその逆を、効率的かつ正確に行うことにあります。つまり、パラレルなデータバスとシリアルな外部インターフェースの間で、データの形式を整合させる役割を担う、極めて重要なI/O（入出力）制御装置なのです。

動作原理：非同期性の理解

UARTの名称にある「A」（Asynchronous：非同期）が示す通り、この通信方式の最大の特徴は、送信側と受信側が共通のクロック信号（同期信号）を持たない点にあります。同期通信では、双方が時計（クロック）を共有し、「チクタク」という合図に合わせてデータを送りますが、非同期通信では、データ自体にタイミング情報を含ませる工夫が必要です。

UARTはこの非同期性を実現するために、データ本体の送受信の際に以下の制御ビットを付加します。

スタートビット (Start Bit): データ送信の開始を相手に知らせるための信号です。通常、アイドル状態（高電圧）から低電圧に変化することで、データの受信を準備させます。
データビット (Data Bits): 実際に送りたい情報（通常は5〜8ビット）です。
パリティビット (Parity Bit): 任意で付加される、エラーチェックのためのビットです。データに誤りがないかを確認するために使われます。
ストップビット (Stop Bit): データ送信の終了を相手に知らせるための信号です。通常、高電圧に戻ることで、次のデータが来るまでの区切りを示します。

送信時、UARTはデータバスから受け取ったパラレルデータ（例：8ビット）を一時的に保持し、スタートビットを先頭に、この8ビットを1ビットずつ順番に（シリアルに）送り出します。最後にパリティビットとストップビットを付加します。受信側では、この逆の処理、すなわちシリアルデータを1ビットずつ受け取り、スタート・ストップビットを取り除き、再びパラレルデータに組み立て直して、コンピュータ内部のデータバスへと渡します。

この仕組みがあるおかげで、低速な周辺機器との通信が、コンピュータの主処理を邪魔することなく、スムーズに行えるようになっているのです。UARTは、物理的なデータ転送方式であるシリアル通信を、コンピュータのバス構造と結びつけるための、まさしく「コア」となる構成要素だと言えるでしょう。

主要な構成要素

UARTモジュールは主に以下の要素で構成されます。

送信レジスタ（Tx Register）: パラレルデータを受け取り、シリアルデータに変換するシフトレジスタ。
受信レジスタ（Rx Register）: シリアルデータを受け取り、パラレルデータに変換するシフトレジスタ。
ボーレートジェネレータ（Baud Rate Generator）: 送受信の速度（ボーレート）を決定するためのクロックを生成する回路。非同期通信では、送信側と受信側のボーレートを事前に合わせておく必要があります。
制御ロジック: データフローの制御、スタート/ストップビットの付加・除去、エラー（パリティエラーやオーバーランエラーなど）の検出を行う回路。

具体例・活用シーン

1. 組み込みシステムでの活用

現代のマイコン（マイクロコントローラ）やIoTデバイスにおいて、UARTは最も頻繁に使用される通信インターフェースです。例えば、マイコンがGPSモジュールやWi-Fiモジュールと通信する際、ほとんどの場合、UARTが利用されます。UARTはシンプルで実装が容易なため、機器間の設定情報や計測データをやり取りする「基盤の会話」として機能します。

2. デバッグ用コンソール接続

エンジニアがデバイスの動作を確認したり、エラーを解析したりする際、PCとデバイスをUSB-シリアル変換ケーブル（内部でUARTが動作）で接続し、デバッグメッセージをターミナルソフトに出力させます。これは、デバイスが正常に起動しているか、どの処理で停止したかをリアルタイムで確認するための、非常に古典的かつ強力な手法です。

3. アナロジー：手紙の梱包と解体を行う郵便局

UARTの動作は、高速なパラレル通信（大量の荷物を一度に運ぶトラック輸送）と、細い通信線（一枚ずつ送る手紙）を繋ぐ郵便局の作業に例えると理解しやすいです。

コンピュータ内部のデータバスは、一度に10個の荷物（パラレルデータ）を運びます。UARTという名の郵便局の「送信窓口」は、この10個の荷物を受け取ります。

梱包（パラレル→シリアル）: 郵便局員（UART）は、まず「ここから手紙を送り始めますよ」という目印（スタートビット）を付けます。次に、10個の荷物を一つ一つバラバラにし、順番に封筒（データビット）に入れていきます。最後に「これで終わりですよ」という目印（ストップビット）を付けて、郵便ポスト（シリアル通信線）に投函します。
解体（シリアル→パラレル）: 受信側の郵便局員（相手のUART）は、ポストから届いた手紙の束を見て、スタートビットを確認し、一つ一つ封筒を開けて中身（データビット）を取り出します。ストップビットを確認したら、取り出した10個の中身を元の形に並べ直し、再びコンピュータ内部のデータバスに戻します。

このように、UARTはデータの形式を変換し、通信の始まりと終わりを明示的に定義することで、クロック信号を共有しない非同期環境でも正確なデータ転送を可能にしているのです。これは、シリアル vs パラレルという通信方式の根本的な違いを吸収するための、賢い解決策だと言えます。