コンピューターのハードウェア

インターフェース

 一般にはシステム間でデータをやりとりする境界面を意味する。コンピューターではコンピューターの本体が周辺機器を接続する時の接合面を意味する。やりとりの取り決めをインターフェース規約という。ソフトウエアにおいても、サブプログラム相互間やメインプログラムとのデータ受け渡しのために、インターフェース規約を設ける。通常、単にインターフェースという場合は、パソコン周辺機器を接続するコネクタやスロットといった異なる二つの機器の接続部分をいう。

 インターフェイスInterface

 スカジー SCSI(Small Computer System Interface 

パラレルのインターフェイス。8本のデータ線を持つ8bitパラレルインターフェイスで、このデータ線を用いてアービトレーションを行なうため、SCSIバスに接続可能なデバイスは最大で8台までディジーチェーン(数珠繋ぎ)できる。SCSIボードのIDは「8」のため、接続する機器のIDは「1」〜「7」を設定する。
 SCSIハードディスクを起動ドライブに使用の場合はSCSIアダプタがBIOSレベルでシステムを起動できるように対応している必要がある。
 最初と最後の機器には信号の反射を防ぐために終端抵抗(ターミネータ)を付ける。(最初の機器であるSCSIカードにはターミネータが内蔵されている)
種類 転送速度 バス幅 接続
SCSI-1 5MB/秒  8ビット  7台まで
SCSI-2 FAST SCSI 10MB/秒  8ビット  7台まで
WIDE SCSI 20MB/秒 16ビット 15台まで
Ultra SCSI Ultra SCSI 20MB/秒  7台まで
Ultra Wide SCSI 40MB/秒 15台まで
Ultra2 Wide SCSI 80MB/秒 15台まで
Ultra3 Wide SCS 160MB/秒 15台まで

 IDEIntegrade Device Electronics

 ATA(AT Attachment
 パソコンに内蔵型ハードディスクを接続するlDEインターフェイスで、1989年に ATA/ANSI(米国規格協会)がパソコンとHDDを接続するlDEインターフェースを標準化した規格。転送速度3.33Mバイト/秒、528Mバイトまでのハードディスクを2台接続できる規格としてスタートした。その後、ハードディスクの容量制限を撤廃、最大接続ドライブ数4台、テープストリーマやCD-ROMドライブの接続を可能にしたエンハンスド(Enhanced) IDE(約137GBまで認識)が登場すると、ハードディスク関連の規格をATA-2、ハードディスク以外の機器接続に関する規格をATAPIとして標準化。以降、高速転送時における信頼性の向上と障害管理機能のS.M.A.R.T.のサポートなどを強化したATA-3、ATAとATAPI規格を統一したATA-4(ATA/ATAPI-4)が策定されている。
 一般的に目にするUltraATA(UltraDMA)は、アメリカのQuantum(現Maxtor)とインテルが共同で策定したlDEの拡張規格で、クロックに合わせてデータを16ビットずつまとめて伝送する。DMA転送方式を用いて高速かつ安定したデータ転送を目指したもの。最大転送速度33.3Mバイト/秒の最初のUltraATA/33は、1998年に策定されたATA−4で正式に標準化されている。以降、最大転送速度66.6Mバイト/秒のUltraATA/66はATA-5、最大転送速度100Mバイト/秒のUltraATA/100はATA-6の規格の一部として標準化。最大転送速度133Mバイト/秒のUltraATA/l33はATA-7として標準化が進められている。
 パラレルATA
 ピンが40本付いたフラットケーブルを使って、同時に複数ビットずつ並列にデータを送る方式。高速にデータ転送を行うことができるが、データ線どうしの干渉が発生するため、長距離の電送には向かない。
 パソコン本体に内蔵するタイプのハードディスクやCD-ROM装置に使用。
 IDEは2台まで接続可能。最大データ転送速度:8.3MB/秒。ケーブル幅は約48mm、長さは最長457mm。
  エンハンスドIDE(E-IDE)は4台まで接続可能。最大データ転送速度:16.6MB/秒
 マザーボード基板上に40ピンのコネクターが2つありそれぞれに2台ずつ合計4台のHDかCD装置を接続できる。マスター、スレーブはハードディスクのジャンパースイッチピンの切り替えにて行う。マスタにはWindowsのシステムが存在するハードディスクを接続。起動ドライブ(通常はC:と表示される)と呼ぶ。
エンハンスドIDE 認識優先度
マスター スレーブ
プライマリー ハードディスク
セカンダリー CD-ROMなど
 シリアルATA
 データ転送方式に従来のパラレル方式ではなく、シリアル方式を採用した最新規格である。しかしマザーボードがシリアルに対応していなければならない。
 データを 1 ビットずつ1 本の線で順次送る ( 直列 ) データ転送方式である。または接続コネクターのことである。データ同士での同期が不要なので、長距離転送に適する。
 シリアルATAでは第1世代では150MB/SとパラレルATA(Ultra ATA/100)の1.5倍のスピードを実現してし、第2世代では300Mバイト/秒に高速化された。
 両者の違いは、パラレルが一度に複数を同時並行で行うのに対し、シリアルはひとつずつ順番に行う点にある。一見、ひとつずつ処理しているシリアルの方が遅いように思えるが、仕様が単純な分、シリアルの方が高速化しやすくなっている。
 パラレル転送では、複数のデータ線を利用し、それぞれがデータを送信するようになっている。ただし、それぞれのデータ転送時に同期が必要となる。パラレル転送を高速化するには、転送のサイクルを上げればよいが、そうなると複数のデ−タ線で同期を取るのが難しくなってくる。
 シリアル転送の場合、1本のデ−タ線を利用して、デ−タが送信される。そのため、一度に1ビットずつしか転送が行えず、動作クロックが低いと転送速度も遅いというデメリットがある。しかし、データ線が1本のため、同期を取る必要がない。そのため転送のサイクル(クロック)を上げれば上げるほどデータ転送速度を向上させることが可能である。このことから最近はシリアル転送が増えつつある。
 また1コネクターに1ドライブを接続するのでIDEのようにマスタ/スレーブのジャンパースイッチを設定する必要もない
 1台ハードディスクに対してに対して1本のケーブルで繋ぐ単純な構造のシリアルATAのため、わずかに7ピン。当然、マスター、スレーブの設定は不要である。
 USBのように細いケーブル(約8mm)のため扱いやすく、ハードディスクの交換や増設を楽に行うことができる。ケーブル長さは最長1000mmまで延長可能。また接続コネクタは2.5/3.5インチとも共通(パラレルはそれぞれ専用)

 ATAPIAT Attachment PacketInterface

 E-IDEの使用を元にANSI(米国規格協会)によって考案された。
 IDEインターフェイスに、CD−ROMやCD-R/RWドライブやテープストリーマなどのハードディスク以外の機器を接続するための規格である。1998年に策定されたATA−4でATA/ATAPI−4として規格が統一された。

 ATAボード(カード)

 PCIなどの拡張スロットに装着し、ATAインターフェイスを追加する拡張ボード。通常マザーボード上のATAインターフェイスは2系統で、ハードディスクなどのデバイスは4台までしか接続できないが、これを拡張することでさらに多数のデバイスが接続できるようになる。一般に低速なUltraATA規格にしか対応していないマザーボードにより、高速な規格のものを追加する拡張ボードが「UltraATAボード」と呼ばれる。また、コンパクトフラッシュなどのATAインターフェイスに基づいて設計されたPCカード型記録メディアをATAカードということもある。
 起動用HDDをATAボードに接続した場合、ATAボードはSCSIボードと同等に扱われるため、BIOSセットアップメニュでSCSIブートを有効にしておく必要がある。

 USBUniversal Serial Bus

 パソコンと比較的低速な周辺機器との接続をすべて同一のコネクタとケーブルを用いて統一しようとするシリアルのインタフェースの規格である。米マイクロソフト社が提唱するコンピュータ規格において必須と定義されており、近年の規格を統一する傾向から、各社の機種で採用されてきている。接続可能な機器としては、キーボード、マウス、スピーカ、スキャナー、モデム、プリンタなどがあり、1台のパソコンを中心としたツリー構造を用いて、規格上は最大6階層(1つのUSB端子からは5段階までUSBハブを接続できる)、パソコン1台に対してUSBハブを含めた最大127台の装置の接続が可能である。
 装置はパソコンを通じて管理され、装置どうしでデータをやり取りすることはできないが、接続ケーブルには電力線も含まれているので、モデムや電話機など少ない電力で動作可能なものならパソコンから電源を得ることができる。
 また、電源を入れたままで接続できるホット・プラグ・インと、プラグ・アンド・プレイに対応しているので接続が簡単で、統一コネクタケーブルが利用できることで、部品コストが安くなるという特徴もある。最大ケーブル長さは5m。
 USB1.1
転送速度=ロースピード 1.5Mbps/ハイスピード 12Mbps(1.5Mバイト/秒)
  増設機器が多い場合は電源供給タイプのハブを使用すること。
  ハブの接続口は機器毎に固定化すること。(パソコン側の機器認識の明確化)
  接続する順序:周辺機器側を先に接続してパソコン側を抜き差しすること。

 データの遅延を回避するために転送帯域を確保する「アイソクロナス転送」(音声や動画像などリアルタイム性が要求されるデータ用)、少量のデータを定期的に送るための「インターラプト転送」(キーボードやマウス、ゲームコントローラ用)、大量のデータを送るための「バルク転送」(エラー訂正が可能でモデムやターミナルアダプタ用)、ホストが機器の状態を知るための「コントロール転送」など、さまざまな転送方式を用意して転送効率の向上を図っている。

 USB2.0
 転送速度=480Mbps(60Mバイト/秒)
転送間隔を細分化した「マイクロフレーム転送」「Pingパケット」、USB1.1機器との混在環境で効果を発揮する「スプリットトランザクション」機能などが追加されている。

 USB3.1
 転送速度が5GbpsとUSB 2.0と比べて約10倍に向上し、超高速データ転送ができるインターフェースとして普及が進んでいる。1.1/2.0と区別するため、コネクタのソケット部分には青色が使用されている。
 規格 最大転送速度 給電能力 (5V)   (給電力) 推奨ケーブル長さ
 USB 2.0  480 Mbps  500 mA  (1.5W)  4m
 USB 3.0  5 Gbps  900 mA  (4.5W)  3m
 USB 3.1(Gen1)  5 Gbps  1000 mA  (5.0W)  1m
 USB 3.1(Gen2)  10 Gbps  1000 mA  (5.0W)  1m
 USB 3.2  20 Gbps  1500mA  (7.5W)  0.8m

 IEEE 1394(別名 Fire Link、i.LINK)

 アップルコンピュータが開発したデジタルのインターフェイス。画像データ向きであり、デジタルビデオカメラなど機器同士と接続できる。HUBによるツリー接続では最大63台 ディジーチェーン接続では最大17台まで可能。ケーブルは4ピンタイプ(DVカメラやノートパソコンに多い)、6ピンタイプ(電源供給が可でパソコンに多い)、9ピンは上位規格のIEEE1394bの3種類があり、最大ケーブル長さは4.5m。USBと同じくプラグアンドプレイに対応する。IEEE1394に接続したDVカメラはパソコン側で再生、停止などの動作コントロールが可能である。
転送速度=400Mbps(50Mバイト/秒)、IEEE1394bは800Mbps

 RS-232CRecommended Standard 232C

 EIA(Electronic Industries Alliance)により規格化されたシリアルのインターフェイス
 モデムとの接続に使われるインタフェースで、シリアルインタフェースの代表的なものです。各種装置(たとえばパソコンどおし)を簡単に接続することができる。
V.24(∨シリーズ)、×.21(Xシリーズ)はDTE/DCE接続回路の定義を行う規格である。∨シリーズ、×シリーズともにITU-T勧告であり、それぞれアナログ、ディジタルに関する規格である。
コネクターは15ピン

 セントロニクス

 プリンタ用のパラレルインタフェースで、ほとんどのメーカで採用したため、プリンタの標準インタフェースになったが、メーカによって、コネクタの形状やピンの配置などの細かい点で違いがあるという欠点もある。長い距離の配線には向かない。

 PCMCIA

 米国のPCMCIAと日本電子工業振興協会(JEIDA)が共同で制定した。主にノートパソコンの16bit処理のPCカード用規格で3つの規格がある。
タイプT:厚さ3.3mm
タイプU:厚さ5mm
タイプV:10.5mm
 タイプUが主流であり、タイプTはタイプU、タイプVに、タイプUはタイプVに使用可能。Windoesが起動した状態でも抜き差しができる。

 カードバス(Card Bus

 32bit処理のPCカード規格。16bitのPCMCIAよりも伝送速度が高速になっている。パソコンにはCardBusに対応したPCカードスロットが必要。

 ブルーツース(Bluetooth

 2.4GHz帯域を用いる無線伝送方式。
 スペック1.0での最大伝送速度は1Mbps(下り721kbps、上り57.6kbps)で、64kbpsの音声専用チャネルも別途3つ確保されている。伝送範囲は10/100mで、最大7台のBluetoothデバイスでネットワークを構築する「ピコネット」と、ピコネットを数珠つなぎにしてさらに大規模なネットワークを構築する「スタッカネット」を構築する機能もある。そのほか、デバイスの相互接続を実現するため厳密に規定されたデバイスプロファイルや、デバイス間で自律的にネットワークを構成するためのサービスディスカバリの仕組みなども用意されている。無線LANに比べ、速度や伝送範囲の点で劣る。

 IrDAInfrared Data Association

 IrDAと呼ばれる通信規格。赤外線により非接触でデータの送受信ができる。転送距離は短く、機器間に障害物があると通信できない。
参考)
シリアル転送
 1ビットづつデータを送る伝送方式。大量のデータ転送には向かないが、装置の種類を問わず接続でき、ケーブルも1本で済む。

パラレル転送
 同時に数ビット単位で一斉に信号を送る伝送方式。シリアル転送より大量のデータ転送に向いているが同時転送ビットの数だけケーブルが必要であり、同期をとる必要もある。

D-Sub15ピン

出力D-Sub15ピンは映像信号をアナログRGB(赤、緑、青)で出力するタイプ。パソコンのグラフィックスチップがデジタル信号をアナログ信号に変換して液晶ディスプレイやプロジェクターなどに映像を出力する。液晶ディスプレイは受け取ったアナログ信号をもう一度デジタル信号に変更映像を表示するため画像の劣化が生じやすい。

DVI-D(Digital Visual Interface-Digital)

 映像信号をデジタル出力するのがDVI-D端子(24ピンのコネクタ)。アナログのようにケーブルで信号が劣化しないため、きれいに映像を表示できる。一般的な規格で著作権保護機能に対応している。

DVI-I

 アナログとデジタルの両方の信号に対応。29ピンのコネクタを使用。変換ケーブルを使えば、D-Sub15ピン端子のディスプレイにも接続できる。

HDMI(High-Definition Multimedia Interface)

米シリコンイメージ、ソニー、東芝などが中心となり、2002年にHDMI1.0が作成された。映像と音声の両方をデジタル信号で出力するAV機器向け端子。HDMI端子を備えるパソコンとテレビがあれば、1本のケーブルで接続できる。 解像度が1920x1080ドットのハイビジョン映像を劣化の無い非圧縮デジタル方式で伝送できる。著作権保護技術の「HDCP」にも対応している。
               転送速度            色
     HDMI1.0  165MHz(4.95Gbps)      各色 8ビット
     HDMI1.3  340MHz(10.2Gbps)      各色16ビット






ポートの形状は全部で5種類だが、よく使用されているのは上の3種類

DisplayPort

パソコン用でDVIの後継規格になる。音声にも対応しているが、機器により対応・非対応がある。
MiniDisplayPort:ノートPCなどに採用されている。MiniDisplayPortとDisplayPortとの変換ケーブルが必要。

 PS/2ポート

 デスクトップのキーボードやマウスの接続に使われる。通常は青がキーボード用、緑がマウス用
電源を入れたまま取り外しは厳禁。
DVI-D/DVI-I HDMI 2.0 DisplayPort 1.3
最大解像度 1920x1200ドット 4K/60Hz 5120x2880ドット/60Hz
最大データ転送速度 3.7Gビット/秒 18Gビット/秒 32.4Gビット/秒
音声信号の伝送 X
著作権の保護  HDCP  HDCP  HDCP

 拡張スロット

 PCIPeripheral Component Interconnect

 インテルが提唱し、93年に登場し、現在拡張スロットの標準仕様として普及している規格。標準でPlug&Play機能を持ち、今やほとんどの拡張カードはこのPCI仕様である。パラレル方式でデータを転送。バスクロックは33MHz、バス幅は32bit、データ転送レートは最大133MB/秒とISAに比べて高速である。しかしビデオカードなど、用途によってはこの仕様でも転送速度が足りないため、PCI−Xなど次世代のバス仕様も検討されている。

 PCI Express

 2002年にPCI-SIGによって策定されたPCIバスに代わるパソコン向けシリアル転送インターフェース。Intel社が開発していた3GIOを標準規格化したもの。ハード的にPCIと互換性はないが通信プロトコルなどは共通のものが使われている。
 パラレルバスは設計が容易というメリットがあるのだが、データ転送の速度を上げようとクロックを上げていくことが実は難しい。パラレルバスで、データを転送するには複数存在しているデータ線がクロックに同期してデータを送る必要がある。 ところが、クロックが高速になると、相互に信号線が干渉するなどの問題が発生し、同期が難しくなってくる。このため、CPUがギガヘルツ級のクロックを実現した現在でも、システムバスのクロックはPentium4で200MHz(1クロックで4ビットの転送が可能なので、800MHz相当となる)でしかない。今後、CPUがより高速になっていくと、バス側も高速にならなければそこがボトルネックになってしまうため、システムとしての性能が上がらない。
 PCI Expressそこで、PCI Expressでは、各機器とチップセットが1対1で接続され、1ビットずつデータを送るシリアルバスと呼ばれるバスアーキテクチャに変更されたので他の機器の影響を受けない。パラレルバスとシリアルバスの大きな違いほ,パラレルバスがクロック信号線、データ信号線などが独立して存在しているのに対して、シリアルバスはクロック自体がデータバスに組み込まれており、1つのデータ信号線を利用してデータの転送を行う。ほかのバスと同期を取る必要がないため、パラレルバスとは比較にならない高い動作クロックを実現できる。

 PCI Expressで用いられる最小構成の伝送路(「レーン」と呼ばれる)は、片方向2.5Gbpsをデータ伝送路を2本束ねて双方向5.0Gbpsの全二重通信が可能で、8ビットのデータを送るのにクロック信号など2ビットを追加した10ビットを費やすため、実効データ転送レートは片方向2.0Gbps(250MB/s)、双方向4.0Gbps(500MB/s)となる。 PCI Expressには現在、「x1」「x2」「x4」「x8」「x12」「x16」「x32」と7種類の規格がある。このうちパソコンに搭載されるのは汎用の「x1」とグラフィックス用の「x16」の2つ。「x1」の転送速度は片方向につき250MB/秒で、それを複数本(レ−ンと呼ぶ)束ねることで、より高速な転送を可能にしている。たとえば16レーンを束ねて片方向で4GB/秒の転送速度を実現したのが「x16」である。PCIの転送速度が133MB/秒、AGPが2GB/秒なので、「xl」、「x16」とも、大幅に性能が向上している。当然スロットはレーンの数が増えるほど長くなる。

 PCI Express 1の次期バージョンであるExpress2が2007年1月にPCI-SIGで策定され、最小構成の伝送路が、片方向4.0Gbps、双方向8Gbpsに拡張された。

 AGP(Accelerated Graphics Port )

 インテルが提唱した、ビデオカードとメインメモリとを結ぶためのバスの規格である。AGPもPCIバスを改良し、動作周波数を高めてデータ転送の帯域幅を拡張したものとなっている。PCIバスは、複数ビット幅のデータバスとクロック信号などから構成されるパラレルバスとなっており、複数のデータが同時に転送される仕様となっている。PCIと同じくバス幅は32bitだがバスクロックが66MHz(x1モード)、133MHz(x2モード)、266MHz(x4モード)、533MHz(x8モード)と高く、転送速度はそれぞれ266MB/秒、533MB/秒、1066MB/秒、2132MB/秒と高速である。3Dグラフィックスではテクスチャをメインメモリに展開するが、AGPによってその際のデータのやりとりが高速化されるという仕組みである。

Low Profile PCI

 PCI SIG が策定した小型のPCI拡張カード規格。
Low Profile PCIではカードの高さを64.41mmに制限。スリムタイプのパソコンや2U(88mm)のケースに取り付けられるようになっている。
 奥行きに関してもスロットまでが119.91mmのMD1と167.64mmまでのMD2の2つのサイズが規定されている。

 接続ケーブル