入出力デバイスとインタフェース

要点と定義

入出力デバイスは、コンピュータと外部の機器や情報との間でデータをやり取りする装置です。入出力インタフェースは、機器間の接続や通信の規則を定めます。規格を選ぶときは、名称だけでなく、接続先、用途、転送方式、速度、接続できる台数などを確認します。USB、Thunderbolt、RS-232C、HDMI、DisplayPort、シリアルATA（SATA）、Bluetooth、BLE、Zigbee、IrDA、NFCは、用途や特徴が異なるインタフェースの例です。

USB 3.0の過去問では、SuperSpeedの転送モードが最大5 Gビット／秒であることが問われました。この値はUSB 3.0の当時の仕様として押さえます。USB Type-Cはプラグ側の形状を表す規格で、両端が丸い横長の外形と、内側の上下2列の接点が特徴です。形状から転送速度を決めつけず、コネクタ形状と通信規格・速度は分けて考えます。

データ転送方式には、ビットを順に送るシリアル方式と、複数のビットを並行して送るパラレル方式があります。どちらを用いるかだけでは速度や用途は決まりません。個々の規格の仕様も確認します。例えば、USBとSATAはいずれもシリアル転送を用いますが、ATA仕様をシリアル化したインタフェースはSATAです。

無線・光通信の例にはBluetooth、BLE、Zigbee、NFC、IrDAがあります。RFIDは微小な無線チップを含むタグとリーダなどを使い、人や物を識別・管理する技術です。これはシラバスの用語例には明記されていませんが、過年度の設問で問われた知識です。過去問の判断には、タグによる識別・管理という用途を押さえます。

入出力制御のプログラム制御方式では、CPUが装置の状態を確認しながら処理します。DMA（直接記憶アクセス）方式では、CPUが転送を設定した後、デバイスと主記憶の間のデータ転送をCPUを介さずに行います。チャネル制御方式も、入出力処理をCPU本体の処理から分担させる方式です。入出力割込みは、装置からの要求や処理完了をCPUに知らせます。

デバイスドライバは、OSなどからの要求を、特定のデバイスが扱える命令や手順に結びつけるソフトウェアです。プラグアンドプレイは機器の検出や設定を支援し、ホットプラグは電源を入れたまま機器を接続・取り外しする機能です。利用可否は機器や接続方式の対応によります。デバイスとの同期では、開始、状態確認、完了後の読出しや出力の順序を守ります。

適用条件と例

周辺装置の接続形態には、ハブを中心に機器をつなぐスター接続、機器を順につなぐデイジーチェーン接続、分岐を重ねるツリー接続があります。カスケード接続は機器やハブを段階的につなぐ形です。接続台数、分岐や中継の可否、ターミネーターが必要かどうかは規格によって異なります。ターミネーターを用いる方式では、適切な終端に設置して信号の反射を抑えます。

アナログ量を測ってデジタル処理する例では、A/D変換器がセンサのアナログ値を数値にし、CPUがその値を処理して表示します。D/A変換器の分解能が8ビットで、入力値0の出力が0 V、入力値128の出力が2.5 Vなら、入力値1当たりの変化は2.5÷128 Vです。入力値の差128に対応する出力差が2.5 Vだからです。256段階あるというだけで256で割ると、入力値128で1.25 Vとなり、与えられた条件に合いません。

温度モニタの例では、A/D変換器の出力値を温度レベルに対応づけ、そのレベルを7セグメントLEDの形状データに変換して出力ポートへ書き込みます。設問の対応関係では、LEDのビット7から順に上端、右上、右下、下端、左下、左上、中央を表し、ビット0は小数点です。数字「6」ではビット7・5・4・3・2・1を点灯するため、2進数10111110、16進数BEになります。表の出力値000がレベル1、001がレベル2と続くので、レベル6に対応する出力値は101です。10℃刻みの基準値で50℃に近似される範囲は、中央の45℃を高い側へ近似する規則により45℃以上55℃未満です。これらは設問に示された装置と対応表の条件に基づく読み取りです。