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概要

情報技術の基礎として理解しておきたい入出力デバイスについて、入出力制御、入力装置、出力装置、表示装置、補助記憶装置を整理する。

入出力デバイスは、コンピュータと外部の人・機器・記憶媒体をつなぐ接点となる。
制御方式や装置の特徴を押さえると、処理性能や用途の違いを理解しやすい。

この記事で扱うこと

プログラム制御方式、割込み制御方式、DMA方式の違い。
代表的な入力装置と出力装置の役割。
液晶、有機EL、プリンタなど表示・出力装置の特徴。
HDD、SSD、光ディスクなど補助記憶装置の違い。
入出力装置がシステム性能に与える影響。

理解しておきたい要点

分野	整理する内容
入出力制御	CPUが関与する度合いと処理効率。
DMA	CPUを介さずメモリと装置間でデータ転送する仕組み。
表示装置	解像度、色数、リフレッシュレートなどの指標。
補助記憶	HDD、SSD、光ディスク、磁気テープの用途。
プリンタ	インクジェット、レーザーなど方式の違い。

入出力デバイス

入出力デバイスとは、コンピューターとデータをやり取りするハードウェアで下記で触れる入出力装置や補助記憶装置などの機器を指す。

入出力インターフェース
コンピュータと入出力デバイス間のインターフェース。
デバイスドライバー
デバイスにインターフェースを提供するソフトウェアのこと。

入出力の制御方式

通常は、CPUを介して入出力制御を行うがそれだけでは非効率なため、次の入出力制御方式が用意されている。

DMA制御方式（Direct Memory Access）
DMA転送制御専用のDMAコントローラを用いて、CPUを介さず、入出力装置、主記憶装置間を直接データ転送する方式。
チャネル制御方式
専用ハードウェアのチャネル装置を用いた、CPUと並列で動く入出力装置、主記憶装置間のデータ転送方式。

CPUの入出力指示をチャネル装置に受信させることで、CPUとチャネルを並列処理させ、CPUの待ち時間を減らす。

入出力装置

プログラム内蔵方式の装置においては、以下の入力装置、出力装置でデータの入出力を行い、補助記憶装置で記憶装置のデータを永続保存する。

下記に類似記載、及び重複記載あり。
応用情報技術 - プロセッサ > プロセッサ

入力装置
外部からのデータやプログラム等を受け付けるインターフェース。
- 例 : 入力装置の一般例
  - 直接入力系
    → キーボード、マウス、トラックボール、タブレット、タッチパネルなど。
  - 入力値変換系
    → スキャナ、OCR(Optical Character Reader）、OMR(Optical Mark Reader）、バーコードスキャナー、ICカードスキャナー、生体認証装置など。
出力装置
データ（結果）を外部に出力するモニターやプロジェクタなどの装置。
- 例 : 出力装置の一般例
  → モニター、プリンター、プロジェクター、スピーカーなど。

モニターの種類

以下、代表的なモニターの種類。

STN（Super-Twisted Nematic）液晶モニター
X、Y軸方向からの電圧交点の液晶を駆動させる単純マトリクス方式を採用したもの。
DSTN（Dual-scan STN）液晶モニター
上記、STN液晶モニターを上下2分割し、表示速度を改善したもの。
TFT（Thin Film Transistor）液晶モニター
薄型トランジスタを用いて、単純マトリクス方式に加え、各画素ごとにアクティブ素子を配置させたアクティブマトリクス方式を採用したもの。

※ 上記液晶モニターは、光の透過を画素ごとに制御し、カラーフィルターを用いて色を表現する。
有機EL（Electro-Luminescence）モニター
EL（半導体に高電圧をかけて発光する物理現象）と有機発光素子の特性を利用したもので低電圧で高い輝度を得ることができる。

補助記憶装置の種類

主記憶装置を補助する補助記憶装置には、以下様々な種類がある。

記憶媒体
┣ 磁気ディスク
┃　┣ フロッピーディスク
┃　┗ ハードディスク
┣ 光ディスク
┃　┣ CD
┃　┣ DVD
┃　┃　┣ DVD-ROM
┃　┃　┣ DVD-RAM
┃　┃　┗ DVD-R
┃　┗ Blu-ray Disc
┣ 半導体ディスク
┃　┗ フラッシュメモリ
┃　　┣ USBメモリ
┃　　┣ SDメモリ
┃　　┗ SSD
┗ 磁気テープ
　　┗ DAD

以下、代表的な記憶媒体。

ハードディスク円盤に磁性体を塗布し重ねた記憶媒体で数Tバイト程度の大容量データを格納できる。
CD（Compact Disc）
ディジタル情報を記録するための記録メディアで音楽を記録する目的で開発された光ディスクの一種。
記憶容量は、最大で700Mバイト程度。

データの編集レベルで大きく以下に分類される。
- 編集不可
  → CD-ROM
- 追加のみ可能
  → CD-R
- 編集可能
  → CD-RW
DVD（Digital Versatile Disc）
媒体形状や記録/読取方式は、CDとほぼ同じ。
ディジタル情報を記録するための記録メディアで映像を記録する目的で開発された光ディスクの一種。
記憶容量は、最大で2層17Gバイト程度。

データの編集レベルで以下に分類される。
- 編集不可
  → DVD-ROM
- 追加のみ可能
  → DVD-R、DVD+R
- 編集可能
  → DVD-RW、DVD-RAM、DVD+RW
BD（Blu-ray Disc）
DVDの後継となる光ディスクで青紫色半導体レーザーを使用する。
記憶容量は、最大で \(2\) 層 \(50G\) バイト程度。

データの編集レベルで以下に分類される。
- 編集不可
  → BD-ROM
- 追加のみ可能
  → BD-R
- 編集可能
  → BD-RE
フラッシュメモリ電源を切ってもデータを保持するEEPROMの一種で編集可能な半導体メモリ。

記録媒体として、USBメモリ、SDメモリカード、SSD（Solid State Drive）、メモリスティックなど様々な形態で用いられている。
DAT（Digital Audio Tape）
磁気テープの規格の一つで、音声データを録音するための規格。
DDS（Digital Data Storage）とも呼ばれ、データのバックアップとしても用いられている。
記憶容量は、\(DAT72\) で \(36G\) バイト、\(DAT320\) で \(160G\) 程度。

違いを整理する

比較する項目	整理するポイント
割込み制御とDMA	割込みはCPUへ通知する方式、DMAは転送自体をCPU負荷なしで行う方式。
主記憶と補助記憶	主記憶は作業領域、補助記憶は永続保存。
入力装置と出力装置	コンピュータへ入れるか、外へ出すかで分類する。
SSDとHDD	SSDは半導体、HDDは磁気ディスクを使う。
解像度と画面サイズ	解像度は画素数、画面サイズは物理的な大きさ。

実務とのつながり

入出力制御
大量データ転送やデバイス制御の性能理解に役立つ。
補助記憶
用途に応じたストレージ選定やバックアップ設計につながる。
表示装置
UI設計や画像処理で必要な基礎知識となる。

まとめ

入出力デバイスは、コンピュータと外部をつなぐ装置となる。
DMA方式はCPU負荷を抑えて効率的にデータ転送できる。
補助記憶装置は、速度、容量、耐久性、用途の違いで整理すると分かりやすい。

参考文献

瀬戸美月（\(2020\)）『徹底攻略応用情報技術者教科書』株式会社インプレス

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