入出力装置とインタフェースを理解する
入出力では、CPU・主記憶と周辺装置の速度差を吸収しながらデータを転送する。入力装置・出力装置の分類に加え、DMA、割込み、バッファ、代表的インタフェースの役割を理解する。
この単元で学ぶこと
- 割込みの意味と役割を説明できる
- DMAの意味と役割を説明できる
- バッファの意味と役割を説明できる
- 割込み・DMA・バッファ・ポーリングをCPU負荷とデータ転送の観点で使い分けられる
本文解説
CPUが低速な周辺装置を逐次監視すると処理効率が落ちる。割込みで完了を通知し、DMAで大量データ転送をCPUから切り離し、バッファで速度差を吸収するなど複数の仕組みを組み合わせる。
割込み 周辺装置などがCPUへ処理要求や完了を通知し、CPUが必要な処理へ一時的に切り替える仕組み。 常時ポーリングする負荷を減らせる。
DMA CPUを介した逐次転送を減らし、主記憶とI/O装置間のブロック転送を専用機構で行う方式。 大量データ転送中のCPU負荷を軽減できる。
バッファ 速度や処理単位の異なる装置間でデータを一時的に蓄える領域。 送受信のタイミング差を吸収する。
ポーリング CPU側が装置状態を繰り返し問い合わせて完了や要求を確認する方式。 実装は単純だが待ち時間中も確認処理を繰り返すことがある。
USB 周辺装置接続に広く使われるシリアルインタフェース規格群。 バージョンやコネクタ形状と転送能力は同義ではない。
「CPUが繰り返し確認」ならポーリング、「装置から通知」なら割込み、「大量データを主記憶へ直接転送」ならDMA、「速度差を吸収」ならバッファとキーワードを対応付ける。
高速ストレージのブロック転送はDMAで主記憶へ送り、転送完了を割込みでCPUへ知らせる構成にすると、CPUが1バイトずつ転送する必要を減らせる。
図解
重要ポイント
- 割込み: 周辺装置などがCPUへ処理要求や完了を通知し、CPUが必要な処理へ一時的に切り替える仕組み。
- DMA: CPUを介した逐次転送を減らし、主記憶とI/O装置間のブロック転送を専用機構で行う方式。
- バッファ: 速度や処理単位の異なる装置間でデータを一時的に蓄える領域。
- ポーリング: CPU側が装置状態を繰り返し問い合わせて完了や要求を確認する方式。
- DMAは転送負荷軽減、割込みはイベント通知、バッファは速度差吸収、ポーリングは能動的な状態確認。
間違えやすい点
- DMAでもCPUが一切関与しないと断定しない。開始設定や完了処理は必要になり得る。
- 割込みとDMAを同じ機能とみなさない。
- USBのコネクタ形状だけから必ず転送速度を断定しない。
用語解説
- 割込み
- 周辺装置などがCPUへ処理要求や完了を通知し、CPUが必要な処理へ一時的に切り替える仕組み。
- DMA
- CPUを介した逐次転送を減らし、主記憶とI/O装置間のブロック転送を専用機構で行う方式。
- バッファ
- 速度や処理単位の異なる装置間でデータを一時的に蓄える領域。
- ポーリング
- CPU側が装置状態を繰り返し問い合わせて完了や要求を確認する方式。
- USB
- 周辺装置接続に広く使われるシリアルインタフェース規格群。
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参考資料
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