【初心者】UARTとは？仕様や仕組みをわかりやすく解説！

皆さんこんにちは！メカ旦那です。

電子工作やマイコンでよく聞く「UART（ユーアート）」。
シリアル通信の一種で、配線数の少なさやアドレス設定が不要という特長があり、様々なセンサに利用されている規格です。

奥が深いですが、イラストを用いてわかりやすく解説します！

伝送方式

種類

通信方式は多種多様に存在し、色々な区分けがありますが、データの伝送方式に着目すると、以下に分ける事ができます。

UART（ユーアート）は「デジタル、シリアル、非同期、全二重、シングルエンド、主従関係なし、1対1」の特徴をもつ通信です。

よくわかりませんね、、、一つずつ解説します！

アナログ / デジタル

アナログは連続的な値を取りますが、デジタルは0と1の2値を用います。電話やラジオはアナログ通信が多いですが、PC、マイコン通信だとデジタルが主流となり、UARTもデジタルになります。

パラレル / シリアル

デジタルは0か1を多数のbitで送受信しますが、パラレルは複数の信号線でまとめて通信します。対して、シリアルは1本の信号線を用いて通信します。その為、配線数が少なくて済むのが特長です。例としてパラレルはプリンター、シリアルはマウスやキーボードで利用されています。

一見、パラレル通信の方が一度に多くのデータを送信でき効率的に思えますが、配線が長くなると、各信号の時間ズレが発生し、上手く送受信できないことがあります。その為、最近の高速通信ではシリアルが主流になっています。UARTもシリアル通信です。

クロック同期 / 非同期

デバイス間で送受信する際、いつ送るのか、いつ受け取るのか、といったタイミング（クロック）を両者で認識する必要があります。クロックが共有されている状態はクロック同期と呼ばれています。対して、共有はされていませんが、各々独自のクロックを持って通信することを非同期（調歩同期）と言います。イメージは、クロック同期が同じ壁掛け時計を見ながら通信、非同期はそれぞれの腕時計を見ながら通信、ですかね。

同期通信はクロックが共有されているため、送受信にズレが生じないです。一方、非同期はクロック専用の信号線が不要なため配線数を少なくできるのが特長です。UARTは非同期通信になります。

全二重 / 半二重

データを送受信する際、2本の伝送路で別々に行う方式を全二重通信（フルデュプレックス）と呼びます。対して、1本でまとめて行う方式を半二重通信（ハーフデュプレックス）と言います。全二重は送受信を同時に行うことができるのに対し、半二重は同時に行えません。ただし信号線が1本で済むのがメリットです。UARTは全二重になります。

シングルエンド/ 差動

先ほどデジタル通信で「0と1の2値を用いる」と説明しましたが、何を0とするのか、1とするのかの基準があります。信号電圧が、ある基準電圧より低い状態を0、高い状態を1とする方式をシングルエンド（不平衡） と呼びます。対して、信号が2つあり、電圧の差分から0,1を判別する方式を差動（平衡）と言います。

シングルエンドは信号線が1本で済むメリットがありますが、ノイズが入った時に0を1(もしくはその逆)と誤認識してしまう恐れがあります。対して差動信号は信号線は2本いるものの、電圧差を見ている関係上、ノイズによる影響が少ないメリットがあります。UARTはシングルエンドになります。 

主従関係

シリアル通信は半二重のように1本の伝送路を複数の機器で共有することがあり、「どこがいつ何のデータを送るのか」を決めないとデータ衝突（同時送信）が発生します。このルールは主従関係と呼ばれており、優先権を持つデバイス（主）をマスター、それに応じるデバイス（従）をスレーブと呼びます。具体的には、

• マスターが通信の開始・クロック・アドレス指定を実施
• スレーブは命令を受けて応答

します。

UARTは主従関係がありませんので、特にマスター/スレーブを決める必要はありません。

リレーション

通信方式によって送受信できるデバイス数をリレーションと言います。

• ユニキャスト：1対1
• マルチキャスト：1対多（複数）
• ブロードキャスト：1対多（全数）
• マルチマスター：多対多

UARTはユニキャストになります。

配線

配線図はこちらです。 ポイントは「信号線はTx/Rxの2種類、プルアップ抵抗は不要、GNDを合わせる」です。　 

信号端子（Tx、Rx）

信号端子はTx/Rxの2つか、RTS/CTSを加えた4つを使います。 それぞれの特徴は以下です。

UARTは前述の通り全二重方式の為、出力と入力で線が分かれています。
また、送信側のTxと受信側のRxを繋ぐクロス配線になるので、間違えないよう注意が必要です。

ハードウェアフロー制御で使うRTS、CTSについては、後ほど解説します。

プルアップ抵抗は不要

一般的にマイコンやICから信号出力する際、プッシュプル、オープンドレイン(コレクタ)の2種類があります。UARTはプッシュプルになります。つまり0（LOW）も1（HIGH）も出力できますので、プルアップ抵抗を接続する必要はありません。 

プッシュプル、オープンドレインは下記記事でも解説していますので、気になる方はぜひご覧ください。

GNDを合わせる

前述の通り、シングルエンドは信号電圧によって0、1が決まります。ここで重要なのが、接続される全デバイスのGND電位を合わせる事です。 電位が合ってない場合、例えばマスターから0を送っても、スレーブでは不安定領域の電圧で1と誤認識されることがあります。 その為それぞれで電源が異なるなどGND電位が合っていない場合、必ずGND間を配線するようにしてください。

マイコンのUART端子

先ほどの配線について、ハード側に機能が無いとそもそも使う事ができません。そこで、よく使われるマイコン/コンピュータのUART用端子について解説します。

Arduino Uno

Arduino UnoはD1にTX,0にRXが割り当てられています。

Raspberry Pi A+, B+, 2, 3, 4, 5

一般的なラズパイ（Raspberry Pi A+, B+, 2, 3, 4, 5）はGPIO14にTxD、15にRxDが割り当てられています。

Raspberry Pi Pico 1, 2, W

ラズパイピコは他のマイコンと比較し、多数の端子にUARTが割り当てられています。
更にUART0,1の独立した系統があるため、2つのUARTバスを形成する事ができます。

通信方式

続いてどんなデータ、流れで通信が行われるのか解説します！

フレーム構成

UARTはフレーム単位で送受信が行われます。フレームはスタート、データ、パリティ、ストップで構成されています。

フロー制御

先ほどのフレームを送り合う事で通信しますが、送信開始、終了のタイミングを制御する場合もあります。フロー制御なし、ソフトウェアフロー制御、ハードウェアフロー制御の3つがあります。

設定

UARTの通信設定は送信側、受信側で同じにする必要があります。先ほど説明したフレーム、フロー制御と、通信速度であるボーレートについてです。

設定は、マイコンならプログラムで、コンピュータならGUIやコマンドで行います。
表記は例えばボーレート：9600 bps、データビット：8 bit、パリティ：なし、ストップビット：1 bit、フロー制御：なしの場合、「9600 8N1」と記載します。Nはパリティなし（None）の意味です。

UART、SPI、I2Cの違い

UARTとよく比較されるシリアル通信として、SPI、I2Cがあります。どれも多くのマイコンに付いている為、違いを知っておくことで使い分ける事ができます。表にまとめてみました。

項目	UART	SPI	I2C
クロック同期/非同期	非同期	同期	同期
全二重/半二重	全二重	全二重	半二重
リレーション	1対1	1対多	1対多
配線本数  (GNDは含めない)	2~4本 (Tx,Rx,RTS,CTS)	3本＋スレーブ数分のCS (SCLK, MOSI, MISO, CS)	2本 (SCL, SDA)
通信相手の特定	不要	CSで特定	スレーブアドレスで特定
通信速度 [bps]	中速 (9.6k~1M)	高速 (1M〜10M)	中速 (100k〜3.4M)
IO出力	プッシュプル	プッシュプル	オープンドレイン
端子接続	クロス	ストレート	ストレート
プルアップ抵抗	不要	不要	必要
長距離配線	強い (~数百m)	弱い （~1m）	弱い (~0.5m)
1フレーム長さの基準	設定 （データビット数）	クロック停止	プロトコルで規定 （8bit＋ACK/NACK）

まとめ

UARTの特徴をまとめると、以下になります。

UARTは多くのマイコン、センサに搭載されているので、参考になれば幸いです！

また他のシリアル通信についても解説しているのでぜひご覧ください！