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。

この記事の構成

• 入出力デバイス
  入出力デバイスの意味と要点を具体例から整理。
• 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。
• 入出力装置
  入出力装置の意味と要点を具体例から整理。
• モニターの種類
  モニターの種類と各項目の特徴を整理。
• 補助記憶装置の種類
  補助記憶装置の種類と各項目の特徴を整理。

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）
  CPUが転送元、転送先、転送量などをDMAコントローラへ設定した後、DMAコントローラが入出力装置と主記憶装置の間でデータを転送する方式。

  転送中はCPUがデータを一語ずつ処理する必要がなく、CPUは別の処理を実行できる。転送完了時は、DMAコントローラが割込みでCPUへ通知する構成が一般的となる。

• 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 Recognition：光学文字認識）、OMR（Optical Mark Recognition：光学式マーク認識）、バーコードスキャナー、ICカードリーダー、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
  各画素またはサブ画素に薄膜トランジスタを配置し、画素ごとに液晶を制御するアクティブマトリクス方式の液晶モニター。

  ※ 液晶自体は発光せず、バックライトの透過量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（OLED：Organic Light-Emitting Diode） モニター
  有機材料の層へ電流を流すと、注入された電子と正孔が再結合して発光する仕組みを利用したモニター。

  画素自体が発光する自発光方式で、バックライトを必要としない。液晶モニターとは発光の仕組みが異なる。

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
  　　┗ DAT

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。
  120mm DVDの記憶容量は、片面1層で約4.7Gバイト、片面2層で約8.5Gバイト。両面2層のDVD-ROMでは約17Gバイトとなるため、層数だけでなく片面か両面かも区別。

  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。
  標準的な記憶容量は、1層で25Gバイト、2層で50Gバイト。多層の記録型ディスクには100Gバイトや128Gバイトのものもあるため、50GバイトがBD全体の最大容量というわけではない。

  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）
  DATは音声データを記録するための磁気テープ規格。コンピュータのバックアップでは、DATの技術を利用したDDS（Digital Data Storage）形式が用いられる。両者は関連するが、厳密には同じ名称ではない。
  DAT 72の容量は非圧縮で36Gバイト、2:1圧縮を仮定して72Gバイト。DAT 320は非圧縮で160Gバイト、2:1圧縮を仮定して320Gバイトとなる。実際の圧縮後容量はデータの性質によって変わる。

まとめ

• 入力装置はデータをコンピュータへ取り込み、出力装置は処理結果を外部へ伝える。
• 割込みはCPUへ処理を通知し、DMAは初期設定後のデータ転送をコントローラが進めてCPU負荷を抑える。
• 主記憶は作業領域、補助記憶は永続保存に使う。SSDは半導体、HDDは磁気ディスクを利用し、速度や容量などの特性が異なる。

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
• ソニー - 有機EL（Electroluminescence）ディスプレイとは（日本語・有機ELの公式解説）
• Intel - DMA Controller Core：Functional Description（英語・DMA制御の技術資料）
• Samsung Display - Thin Film Transistor（英語・TFTの公式解説）
• Ecma International - ECMA-267：120 mm DVD Read-only Disk（英語・DVD-ROMの規格原文）