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パソコンと周辺機器の接続

キーワード

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パソコンと周辺機器の接続口は、端子、コネクタポートスロットなどの呼び方があります。
 端子やコネクタは物理的、ポートは論理的なニュアンスの違いがありますが、あまり厳密ではなさそうです。ここでは、特に区別していません。
 スロットは、パソコン内部のマザーボードに置かれた内蔵機器やコネクタへの接続口として使われることが多いようです。

内蔵機器との接続

パソコンの内部構造

バス
バスとは、コンピュータ内部でデータや信号を伝達するための回路や伝送路のことです。
  内部バス:CPU内の演算装置と制御装置の間
  メモリバス:CPUとメモリの間
  システムバス:CPUやメモリとチップセットの間
チップセット
チップセットとは、コンピュータ内部のマザーボードなどに実装されるICチップです。
通常のパソコンは、チップセットを介して各装置と通信します。
チップセットは、CPUやメモリー、内部機器や各種スロットなどの機能が統合されています。
チップセットの構造を示します。チップセットのメーカや型番により若干の違いがあります。

主な拡張バス

ここでは、内蔵機器を対象にしていますが、外部へのコネクタを介して、周辺機器との接続に使われることもあります。

AGP(Accelerated Graphics Port)
ビデオカード(ディスプレィ用の記憶装置)とメモリ間の専用バス(データ伝送路)の旧規格です。 です。
PCI(Peripheral Components Interconnect)
コンピュータ内部で装置間を結ぶデータ伝送路(バス)の規格の一つで、パソコン内部の各パーツ間を結ぶバス規格です。
旧規格にISA(Industrial Standard Architecture bus)がありましたが、現在では使われていません。
PCIで通信する拡張カードをPCIカード、それをマザーボードに差し込むための端子をPCIスロットといいます。
PCI Express(PCIe)→写真
現在、グラフィックスボードや内蔵ディスク(特にSSD)との接続などに用いられているバス規格です。
上記のAGPやPCIはパラレルインタフェースでしたが、PCI ExpressはPCIをシリアルインターフェイスにして高速化したものです(パラレル/シリアルは後述)。
SSD(Solid State Drive)とは、フラッシュメモリを用いたディスクです。磁気ディスクと比べてはるかに高速ですが、従来のPCIの速度ではSSDの性能を引き出すことができず、PCI Expressが策定されました。

IDE(Integrated Drive Electronics)
ATA(Advanced Technology Attachment)
磁気ディスク(通常は内蔵ディスク)との接続の旧規格です。現在はSATAに移行しています。
SATA(シリアルATA;Serial Advanced Technology Attachment)
ATAがパラレル接続方式だったのを、シリアル接続にして高速化したものです。
主に内蔵の磁気ディスクや光ディスクとの接続に用いられます。スター型の1対1の接続です。
  SATA・・・150Mbyte/s
  SATAⅡ・・300Mbyte/s
  SATAⅢ・・600Mbyte/s
  • mSATA(Mini SATA)
    ノートパソコンなどにカード型SSDなどを装着するためのSATA
  • eSATA(External SATA)
    外付けドライブ向けに拡張されたSATA。ホットプラグに対応。最大1.2Gbpsの転送速度
    マザーボードのチップセットからのSATAスロットの写真を右に掲げます。これからケーブルで内蔵ディスクや外部へのコネクタに接続します。
AHCI(Advanced Host Controller Interface)
SATAは接続方式のプロトコルですが、実際に通信するには読み書きの命令に関するプロトコルが必要です。AHCIはSATA接続を通して命令の伝達が最適に行うためのプロトコルです。転送速度は6Gbpsです。

NVMe(Non-Volatile Memory Express)
PCI Expressを用いて、SSD(内蔵、外付け)に特化した規格です。SATAよりも高速でSSDの機能を引き出すのに適しています。
  • SATA/AHCIは、HDDを対象としていました。そのため最大でも6Gbpsの転送速度でした。それに対してNVMe/PCI ExpressはSSDを対象にしており、32Gbpsになります。
  • SATA/AHCIでは、I/Oで多くの割込みが発生するのに対して、NVMe/PCI Expressでは割込みを大幅に削減する対策によりオーバーヘッドタイムを小さくしています。
  • 高度な並列処理を行っています。
  • しかし、SSDの性能を十分に利用する必要のない(大量・高速なI/Oを必要としない)環境では、NVMeにする利点は限定的です。
  • しかも、個人用の周辺機器ではNVMeコネクタを装備しているのはまだ稀です。
  • パソコン内部のバスやチップセットなどが、NVMe/PCI Expressに対応した性能を持っていなければなりません。
  • そのため、NVMeはサーバなどに用い、個人利用のパソコンではSATAを用いるのが通常です。

周辺機器との有線接続

パソコンと周辺機器の接続をポートとかコネクタといいます。
 パソコンと周辺機器の接続ケーブルはストレートケーブルを用います。

シリアルポートとパラレルポート

周辺機器を対象にした記述ですが、パソコン内部での内蔵機器とも接続でも同様です。

シリアルインターフェースは、1ビットずつ転送する方式で、パラレルインターフェースは、複数ビット(8バイト、32ビットなど)を同時に転送する方式です。
 一見、パラレルのほうが高速なようですが、パラレルでは、複数の信号がすべて同時に送出され、同時に届くことを前提にしています。しかし、信号の転送時間は配線の長さや形状その他の条件で変化するので、多ビットに対応した配線を同一条件にするのは困難です。それに対して、シリアルでの高速化技術が急速に発展してきました。その結果、シリアルのほうが高速転送が実現しやすいのです。

そのため、新規の規格はシリアルが主流になり、従来パラレルを対象にしていた規格もシリアルの規格ももつようになりました。
  IDE(パラレル)→ATA(パラレル)→SATA(シリアル)
  SCSI(パラレル)→SAS(シリアル)、NVMe(シリアル)
  PCI(パラレル)→PCI Express(シリアル)
 現在主流となっているUSBポートやIEEE1394などはシリアルインタフェースです。

パラレルポートは,セントロニクスともいいます。以前はプリンタとの接続によく用いられるので,プリンタポートともいいわれていました。現在はUSBが主流になっています。

シリアルポートは、1ビットずつ転送するのにピンが多数なのは、送信用/受信用だけでなく、多数の信号用/制御用の伝送路があるからです。
当初は25ピンだったのですが,次第に重要ではないピンが淘汰され、形状の小さい9ピンのほうが普及しました。
 シリアルポートの規格をEIA-574といいますが、むしろRS-232Cとして流通しています。RS-232Cも25ピンから9ピンに移行しました。
 モデム,ターミナルアダプタ,プロジェクタなどの接続に用いられます。最大転送速度は約100kbps。

周辺機器との接続方式

パソコンのコネクタに複数の周辺機器を接続するには、スター接続、ツリー接続、デイジーチェーン接続があります。これらは互いに組み合わせることができます。

スター接続
パソコンのポート1つに対し1台の周辺機器を接続する方式です。
パソコンに複数のポートを置くことにより、スター型に複数の周辺機器が接続できます。
通常のコネクタは、スター接続を前提としており、接続機器を用いてツリー接続にしています。
ツリー接続
リピータハブを用いて枝分かれさせながら接続する方式です。
USBでは、一つの入口端子を複数の出口端子を持つUSBハブ(USB分岐器)があり、これによりツリー状に接続できます(右図)。
デイジーチェーン接続
デイジーチェーンとは、周辺機器を数珠つなぎのように直列に接続する接続形式です。
各周辺機器は入口と出口の接続ポートを持ちます。
ハブなどの追加機器が不要な利点がありますが、回線線が長く接点数も増えるため、信号の減衰や歪みなどが発生しやすい欠点があります。
デイジーチェーン接続ができる機器にはIEEE1394(FireWire)やSCSIがあります(USBではUSBハブを数珠つなぎできますが、通常はデイジーチェーンとはいいません)。

便利な機能

ホット・プラグ機能(ホットスワップ機能)
パソコンや機器の電源を入れたままコネクタの抜き差しができる機能です。
従来は,本体の電源を入れる前に周辺装置の電源を入れる(切るときはその逆)とか,本体を使用中に周辺機器を取り付けたり外したりできませんでした。そのため、パソコンを使うときには、利用する周辺機器を予定する必要があり面倒でした。
USB、IEEE 1394、SATAなどがホット・プラグ対応で、デバイスドライバも対応していますので、近年では当然の機能になっています。/dd>
プラグ・アンド・プレイ機能
周辺機器をパソコンに接続したとき,システムへのデバイスドライパの組込みや設定を自動的に行う機能です。
現在ではほとんどすべてのインタフェース規格がこの機能に対応しています。
バスパワー機能
コネクタ、ケーブルを通して、パソコンから周辺機器に電力を供給する機能です。
(これに対して、電池や電力線からACアダプタを介して電力を得ることをセルフパワーといいます)
USBやIEEE 1394、PS/2がバスパワーに対応しています(SCSIは対応していません)。
電力消費が少ない周辺機器は,電源に接続することなしにUSB接続するだけで電力供給を得ることができるので、電力線が不要になりました。
通常のUSBでは、1コネクタから電圧5V、電流500mA、電力2.5Wまでの電力が供給できます。それで、キーボードやマウス」などには使えますが、プリンタ、ディスプレイ、外付けディスクなど電力消費が大きな周辺機器には使えません(でした)。
USB3.1以降はUSBパワーデリバリ(USB PD:Power Delivery)規格が策定された。100Wまでの電力供給が可能となりました。

USB

USBは,マウスやキーボードから各種外部記憶装置まで多様な周辺機器に接続でき,次のような長所を持つので,近頃は広く用いられるようになり,他の接続ポートは次第に廃れる傾向にあります。

USBの名称と転送速度

  USB1.1 12Mbps
  USB2.0 480Mbps
  USB3.0 5Gbps(スーパースピード)bps
  USB3.1 10Gbps(スーパースピードプラス)
  USB3.2 20Gbps(スーパースピードプラス)
  USB4   40Gbps(新規格)

転送速度の規格でも互換性があるので、例えばUSB2.0とUSB3.0の接続はできます。しかし転送速度はUSB2.0になります。

USB 3.1の「3.1」は規格名です。また、アップデート(世代)番号として「Gen」があります。
 以前は、USB 3.1に次の2つがありました。
  「USB 3.1 Gen 1」は、転送速度がUSB 3.0と同じ5Gbpsです。
  「USB 3.1 Gen 2」は、その第2世代で、10Gbpsです。
 それが、USB 3.2の策定とともに、次のように変更されました(されるそうです)。
  USB3.1 Gen 1は「USB3.2 Gen 1」へ名称変更
  USB3.1 Gen 2は「USB3.2 Gen 2」へ名称変更
  USB3.1は「USB 3.2 Gen 2×2」へ名称変更

USB PD(USBパワーデリバリ)

USB2.0では、1コネクタから最大電圧5V、電流500mA、電力2.5Wまでの電力が供給できました。
 追加仕様のUSB-BC(Battery Charge)では、7.5Wでした。  USB3.1では、5V、900mA、4.5Wになり、その追加仕様でのUSB PDでは一挙に20V、5A、100Wの電力を供給することができるようになりました。
 これにより、ディスプレイ、プリンタ、ディスクなどの小電力タイプのものは、USBから電力供給できるので、電力線の配線が不要になります。特にモバイル環境では便利です。

USB PDを利用するには、パソコンと周辺機器の双方がUSB PD以上に対応して、USB-Type Cコネクタが装備しており、それをUSB Type-Cケーブルで接続する必要があります。
 なお、USB PD対応機器はUSB3.1にも対応しますが、USB3.1対応機器がUSB PD対応だとは限りません。

USBコネクタの形状

Type-C

Type-Cは、USB3.1で制定された新しいコネクタ規格です。
 USB3.1では従来のType-A/3.0Type-Bも使えますが、USB3.2からはType-Cだけになりました。パソコン、周辺機器の一方が旧規格の場合は、一端がType-C、他端がType-A/3.0Type-Bのコネクタを持つケーブルで接続します。その場合、旧規格の転送速度になります。

USBでのデータ転送方式

すべてのUSB機器のデータ転送は同一のプロトコルバスをタイムシェアリングすることで行います。USBでの転送の種類にはコントロール転送、バルク転送、インタラプト転送、アイソクロナス転送があります。
 これらの転送モードのどれを使うかは、周辺機器が設定情報(コンフィギュレーションデータ)として持っていて、接続したときににコントロール転送を使ってパソコンにその情報を送ることにより設定されます。


他のコネクタ

RS-232C
シリアルポートのインターフェース規格で、主としてモデムなどの通信用として策定されました。その後、プロジェクタや端末にも用いられましたが、低速なため、現在ではほとんど使われていません。
SCSIポート
SCSI(スカジー)は,周辺機器を数珠つなぎのデイジーチェーンで接続するインタフェースです。
USBが普及する以前に広く利用されていたで,光磁気ディスク,スキャナ,プリンタなど多様な周辺機器を7台(あるいは15台)チェーン状に接続できます。
チェーン状に接続するため、周辺機器に必ず1対の入口と出口のコネクタがついています。
SCSIはパラレル方式です。その後、シリアル方式を採用したSAS規格が出現しました。
SAS(Serial Attached SCSI)
SCSIの後継規格です。デイジーチェーン接続を継承しています。シリアルインタフェースにしたことにより、高速、高信頼性を実現しました。
また、SATAは、SASのサブセットでもあり、SATAの周辺機器はSASに接続できるが、その逆はできません。
IEEE1394
FireWireとも呼ばれます。SCSIの後続規格で高速です。音声や映像などの転送に適したブロードキャスト転送方式を採用しています。
デイジーチェーン接続だけでなくツリー接続もできます。
プラグ・アンド・プレイ機能、ホット・プラグ機能、バスパワー機能をもっています。
バスパワーに対応した6ピンと非対応の4ピンのコネクタがあり、6ピンコネクタは、最高33V/1.5Aの供給ができます(通常のUSBより大電力)。
アイソクロナス転送ができます。

Thunderbolt
IEEE1394の後継として開発された規格で、技術的にはPCI ExpressとDisplayPortを基盤としています。また、デイジーチェーンもサポートしています。
Thunderbolt 3ではコネクタにUSB Type-Cコネクタを利用し、転送速度40Gbpsを実現しています。
通信プロトコルでは、USBを含み、PCI ExpressやDisplayPortもサポートしています。 Thunderbolt 3 ≒USB4,0という見方もできます。
カードスロット
SDカード、microSDカードの差込口(スロット)です。
カードのサイズにより、多様なコネクタがあります。
USBポートと同様、プラグアンドプレイ、ホットスワップの機能をもっています。
スマートフォンやデジカメには、本体にそれぞれによく用いるカードに対応するスロットを装備しています。
パソコンでは、通常はUSBコネクタがあるだけで、それから変換ケーブルによりカードを接続します。
サウンドコネクタ
サウンド機器やマイクからの入力、スピーカやヘッドフォンへの出力の端子です。
右図は最もシンプルなもので、複数のスピーカがあるときははジャックが追加されます。
それぞれの色は決まっています。
ここでの伝送はアナログです。アナログ⇔デジタル変換はパソコン内部で行われます。

LANコネクタ
LAN(イーサネット)への接続口です。
ケーブルでLANサーバ(ルータ)などと接続します。ケーブルの端子に外れないように爪があります。そのため、コネクタが凸型になっています。

PS/2ポート
キーボードやマウスとの接続に用いられていました。現在ではこれらはUSBあるいは無線で接続するようになりました。


ディスプレイやTVのインターフェース

ディスプレイ表示を高速に行うための機器をグラフィックボードとかビデオカードといいます。グラフィックボードの接続プロトコルには、グラフィックボードとマザーボードを接続する「内部インターフェース」とグラフィックボードとディスプレイを接続する「外部インターフェース」があります。

PCI Express
内部インターフェースでは、以前はAGPが使われていましたが、現在ではPCIを発展させたPCI Express が主流になっています。(前述)
D-sub
外部インターフェースでは、アナログ用であるD-subが広く使われていました。
DVI(Digital Visual Interface)
しかし近年では、外部インターフェースとして、デジタル用のDVIが主流になっています。より鮮明な画像が表示できます。
AV端子
テレビとビデオをアナログデータとして接続する規格です。現在はほとんどがデジタル機器になったので使われなくなりました。
赤、白、黄の3つの端子があります。
HDMI(High-Definition Multimedia Interface)
主にパソコンやゲーム機とテレビとのデジタル接続に用いられます。
一切アナログ変換をしないので高品質の映像になります。
映像・音声・制御信号の伝送を1本のケーブルで実現します。
4k放送には、8k放送対応にはHDMI2.0以降、8k放送にはHDMI2.1以降が使われます。

コネクタの拡充

上述のようにコネクタの種類は多様です。これらのコネクタをすべてパソコンに装備するのは困難です。特にノートパソコンやスマートフォンでは、小型化・薄型化のため、装備できるコネクタ数は限られます。
 同じ種類のコネクタを増設するのでしたらハブで接続すればよいのですが、USB、SCSI、DVI、カードスロットなど多種のコネクタを増やすことが求められます。

変換アダプタ(変換ケーブル)
一端をUSBなどでパソコンに接続し、他端に多様なコネクタを備えた機器あるいはケーブルです。
いろいろな組合せがありますが、SDメモリカードのminiとmicroの変換など同系列での変換など単純なものが主流です。
安価なので、目的に応じて購入することができます。
ポートリプリケータ
ポートリプリケータとは、パソコンに搭載されていない各種ポートを装備し、パソコンとはUSBやeSATAなど1本で接続できるようにした機器です。
ノートパソコンの筐体側部や背部に取り付ける形状のものが主流です。特定のパソコンに特化しているので、パソコンとセットあるいはオプションとして販売しています。取外付が容易なのでオフィスでは取り付けて作業し、外出時には取り外すという使い方ができます。
スマートフォンを対象にして、複雑な作業を行うことを目的としたものもあります。
ドッキングステーション
大型で各種の機能拡張が可能にしたポートリプリケータのことですが、その境界は曖昧です。ポートリプリケータがパソコンに付着しているのに対して、ドッキングステーションとはパソコンとはケーブルで分離したものだという解釈もあります。それで変換アダプタまでもドッキングステーションといっている製品もあります。