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- はじめに
- １．バスとは何か？
- ２．バスの種類と特徴
- ３．入出力インタフェースとは何か？
- ４．入出力インタフェースの種類と特徴
- ５．USB、RS-232C、IEEE 1394、SCSI、HDMIの主な規格
- まとめ
はじめに
コンピュータシステムは、ハードウェアとソフトウェアの相互作用によって動作します。ハードウェアは、CPUやメモリ、ディスクなどの物理的な部品で構成されており、ソフトウェアは、オペレーティングシステムやアプリケーションなどのプログラムで構成されています。これらのハードウェアとソフトウェアの間には、バスと呼ばれる信号線があります。
バスは、データや命令やアドレスなどの情報をやり取りするための通路です。また、コンピュータシステムは、キーボードやマウス、プリンターなどの外部機器とも接続されていますが、これらの外部機器とコンピュータシステムの間には、入出力インタフェースと呼ばれる回路があります。入出力インタフェースは、外部機器とバスの間で情報を変換したり同期したりする役割を果たします。
ここでは、バスと入出力インタフェースの仕組みと種類について見ていきましょう。
１．バスとは何か？
バスとは、コンピュータシステムの性能や拡張性に大きく影響し、コンピュータの内部や外部の機器同士をつなぐ信号線の集合になります。
バスには、データや命令をやり取りするデータバス、機器のアドレスを指定するアドレスバス、機器の動作を制御する制御バスなどがあり、バスの種類や規格によって、転送速度や接続できる機器の数などが異なります。
２．バスの種類と特徴
①内部バスと外部バスの違いとは？
バスには、内部バスと外部バスの2種類があります。
内部バスとは、コンピュータの内部で、CPUやメモリ、拡張カードなどの部品を接続するバスで、データやアドレス、制御信号を伝送するための専用の線があります。内部バスの種類には、ISA、PCI、PCI Expressなどがあります。
外部バスとは、コンピュータの外部で、キーボードやマウス、プリンター、モニターなどの周辺機器を接続するバスで、シリアルポートやパラレルポート、USBポートなどがあります。
外部バスは、内部バスよりも伝送速度が遅く、距離が長くなると信号が劣化しやすいという特徴があります。
②シリアルバスとパラレルバスの転送方式と伝送速度を比較
バスには、データやアドレス、制御信号などを伝送する役割があり、シリアルバスとパラレルバスの二種類があります。
シリアルバスとは1本の信号線で1ビットずつデータを送受信する方式で、複数の信号線で1ワード（8ビットや16ビットなど）を同時に送受信する方式です。
シリアルバスとパラレルバスの伝送速度を比較すると、一般にパラレルバスの方が高速ですが、パラレルバスは信号のずれや干渉などの問題が発生しやすく、距離が長くなると信頼性が低下します。
・シリアルバス
信号線の数が少なくて済むため、配線が簡単でコストが低く、信号間の干渉やタイミングのずれが少ないため、高速な伝送が可能です。しかし、1ビットずつデータを送るため、転送効率は低くなります。シリアルバスの例としては、「USB」や「HDMI」などがあります。
・パラレルバス
1ワードずつデータを送るため、転送効率は高いですが、信号線の数が多くなるため、配線が複雑でコストが高くなります。また、信号間の干渉やタイミングのずれが多くなるため、高速な伝送が難しいです。パラレルバスの例としては、「PCI」や「IDE」などがあります。
３．入出力インタフェースとは何か？
入出力インタフェースとは、コンピュータと外部機器との間でデータのやり取りを行うための装置や回路のことです。
入出力インタフェースは、データの形式や速度、タイミングなどを調整し、信号の電圧などを変換して、コンピュータ内部のバスと外部機器や装置との間でデータを中継し正しく通信できるようにします。例えば、キーボードやマウス、プリンター、モニターなどは、入出力インタフェースを通してコンピュータとやりとりすることです。
入出力インタフェースには、パラレルインタフェースやシリアルインタフェースなどの種類があります。
・パラレルインタフェース
複数の信号線を使って、同時に複数のビットを送受信するインタフェースで、特徴として高速にデータを伝送できることですが、信号線の数が多くなると配線が複雑になり、ノイズの影響を受けやすくなります。パラレルインタフェースの例としては、「プリンタ」や「ハードディスク」などに使われるインタフェースがあります。
・シリアルインタフェース
一つの信号線を使って、一度に一つのビットを送受信するインタフェースで、特徴として信号線の数が少なくて済むことで、配線が簡単になり、ノイズの影響を受けにくくなりますが、データの伝送速度が低下することです。シリアルインタフェースの例としては、「マウス」や「キーボード」などに使われるインタフェースがあります。
４．入出力インタフェースの種類と特徴
出力インタフェースとは、コンピュータと外部機器との間でデータのやり取りを行うための装置や回路のことで、以下のような種類と特徴があります。
①直接メモリアクセス（DMA）
CPUの介在なしにメモリと外部機器との間でデータを転送する方法で、CPUの負荷を軽減できますが、メモリバスの占有時間が長くなります。
②割り込み制御
CPUがプログラムを実行しながら、外部機器からの割り込み信号を受けてデータの転送を行う方法で、メモリバスの占有時間は短くなりますが、CPUの負荷が増加します。
③ポーリング制御
CPUが定期的に外部機器の状態を確認して、データの転送を行う方法で、割り込み信号を必要としませんが、CPUの無駄な処理が増えます。
④プログラム制御
CPUがプログラムに従って外部機器とデータのやり取りを行う方法で、最も単純な方法ですが、CPUの負荷が最も高くなります。
５．USB、RS-232C、IEEE 1394、SCSI、HDMIの主な規格
①USB（ユニバーサル・シリアル・バス）
パソコンや周辺機器などのデバイスを接続するための標準的なインターフェースの一つです。
USBには、転送速度や電力供給能力などによって、いくつかの規格があり、規格の違いを知っておく必要があります。
・USB 1.1：
最大転送速度は12Mbps（メガビット毎秒）で、キーボードやマウスなどの低速なデバイスに適しています。
・USB 2.0：
最大転送速度は480Mbpsで、プリンターやスキャナーなどの高速なデバイスに適しています。
・USB 3.0：
最大転送速度は5Gbps（ギガビット毎秒）で、外付けハードディスクやメモリースティックなどの大容量なデバイスに適していて、USB 2.0と互換性があります。
・USB 3.1：
最大転送速度は10Gbpsで、USB 3.0よりもさらに高速なデバイスに適しており、USB 2.0と互換性があります。
・USB Type-C：
コネクタの形状が両面同じで、どちら向きでも差し込めるようになっています。USB Type-Cは、USB 3.1と同じ最大転送速度を持ちますが、電力供給能力が高く、スマートフォンやタブレットなどの充電にも利用できます。
②RS-232C
シリアル通信の規格の一つで、コンピュータや周辺機器などのデータ伝送に用いられ、主にパソコンとプリンターやモデムなどの接続に使われます。RS-232Cのメリットは配線が少なくて済むことや、長距離の通信が可能なことで、デメリットは伝送速度が遅いことやノイズに弱いことです。
③IEEE 1394
高速なデジタルデータの伝送を可能にするシリアルインターフェースの規格で、主にビデオカメラや外付けハードディスクなどの周辺機器とコンピュータを接続するのに用いられます。
IEEE 1394のメリットは、最大400Mbps（1394a）や800Mbps（1394b）という高速な転送速度や、最大63台までの機器を接続できる柔軟性、ホットプラグやPnPに対応している使いやすさなどが挙げられ、デメリットは、ケーブル長が6m（1394a）や100m（1394b）という制限があることや、USB 3.0やThunderboltなどよりも普及率が低くなっていることなどが挙げられます 。
④SCSI（Small Computer System Interface）
SCSIは、コンピュータとハードディスク、テープドライブ、CD-ROMドライブ、スキャナーなどの高速なデータ転送が必要な機器、周辺機器を接続するための規格の一つです。SCSIのメリットは、一つのSCSIバスに最大15台の機器を接続できることや、機器ごとに専用のインターフェースカードが不要なことで、デメリットは、ケーブルやコネクタが高価であることや、設定が複雑であることです。
⑤HDMI（High-Definition Multimedia Interface）
HDMIは、高画質な映像や音声をデジタル信号で伝送するための規格です。HDMIの用途は、主にテレビやモニター、プロジェクターなどの映像機器と、DVDプレーヤーやゲーム機、パソコンなどの映像出力機器を接続することです。
【HDMIのメリット】
・高画質な映像や音声を伝送できる
・一本のケーブルで映像と音声を同時に伝送できる
・複数の機器を接続する場合にも、ケーブルの数が少なくて済む
・デジタル信号であるため、アナログ信号に比べて画質や音質の劣化が少ない
・機器間の認識や設定が自動的に行われることが多い
【HDMIのデメリット】
・ケーブルや端子が高価であることが多い
・ケーブルの長さに制限があるため、長距離の伝送には別途アダプターや増幅器が必要になることがある
・機器間の互換性や安定性に問題が生じることがある
・著作権保護技術であるHDCPによって、一部の機器やコンテンツが再生できないことがある
まとめ
今回は、コンピュータシステムの中でデータや信号をやりとりするバスと、外部機器との接続に使われる入出力インタフェースについて説明しました。コンピュータシステムは、バスと入出力インタフェースを通じて、外部のデバイスとデータのやり取りを行います。
バスは、コンピュータ内部の部品や外部のデバイスを接続する電気的な道路になり、バスには、データバス、アドレスバス、制御バスの3種類があり、それぞれデータの伝送、メモリやデバイスの識別、制御信号の伝送を行います。
入出力インタフェースは、バスとデバイスの間にあって、互換性や信号の変換などを担当する装置で、ポートやカードなどの形態があり、シリアルポートやパラレルポートなどの方式があります。これらの知識は、コンピュータシステムの構成や動作を理解するために必要なものとなります。
