入力/出力

コンピューティングにおいて、入出力( I/O、i/o、または非公式にはioまたはIO ) とは、コンピュータなどの情報処理システムと、別のコンピュータ システム、周辺機器、または人間のオペレータなどの外部との間の通信を指します。入力はシステムが受信する信号またはデータであり、出力はシステムから送信される信号またはデータです。この用語はアクションの一部としても使用できます。「I/O を実行する」とは、入力操作または出力操作を実行することです。

I/O デバイスは、人間 (または他のシステム) がコンピューターと通信するために使用するハードウェアですキーボードやコンピューターのマウスはコンピューターの入力デバイスでありモニターやプリンターは出力デバイスですモデムやネットワーク カードなど、コンピューター間の通信に使用するデバイスは、通常、入力操作と出力操作の両方を実行します。インタラクタによるシステムとのやり取りは入力であり、システムが応答する反応は出力と呼ばれます。

デバイスを入力または出力のどちらとして指定するかは、視点によって異なります。マウスとキーボードは、人間のユーザーが出力する物理的な動きを受け取り、それをコンピューターが理解できる入力信号に変換します。これらのデバイスからの出力は、コンピューターの入力です。同様に、プリンターとモニターは、コンピューターが入力として出力する信号を受け取り、これらの信号を人間のユーザーが理解できる表現に変換します。人間のユーザーの観点からは、これらの表現を読み取ったり見たりするプロセスが出力の受信です。コンピューターと人間の間のこのタイプのインタラクションは、ヒューマンコンピューターインタラクションの分野で研究されています。さらに複雑なのは、従来は入力デバイスと考えられていたデバイス (カードリーダー、キーボードなど) が、スタッカーの選択、キーボードライトの表示などの制御コマンドを受け入れる可能性がある一方で、従来は出力デバイスと考えられていたデバイスがステータスデータ (トナー不足、用紙切れ、紙詰まりなど) を提供する可能性があることです。

コンピュータアーキテクチャでは、 CPUとメインメモリの組み合わせは、CPUが個別の命令を使用して直接読み書きすることができ、コンピュータの頭脳と見なされます。ディスクドライブからデータを読み取るなど、CPUとメモリの組み合わせとの間の情報の転送はすべてI/Oと見なされます。^[1] CPUとそのサポート回路は、デバイスドライバの実装などの低レベルのコンピュータプログラミングで使用されるメモリマップI/Oを提供したり、 I/Oチャネルへのアクセスを提供したりする場合があります。I /Oアルゴリズムは、ディスクドライブなどの二次記憶装置とデータを交換する際に局所性を活用して効率的に機能するように設計されたアルゴリズムです。

I/O デバイスがプロセッサによって駆動される場合は、I/O インターフェイスが必要です。通常、CPU はバスを介してデバイスと通信します。インターフェイスには、プロセッサによって生成されたデバイス アドレスを解釈するために必要なロジックが必要です。適切なコマンド (BUSY、READY、WAIT など) を使用してインターフェイスによってハンドシェイクが実装され、プロセッサはインターフェイスを介して I/O デバイスと通信できます。異なるデータ形式が交換される場合、インターフェイスはシリアル データをパラレル形式に変換でき、その逆も可能でなければなりません。プロセッサが入力デバイスからのデータを待機している間アイドル状態になるのは無駄であるため、必要に応じてプロセッサによるさらなる処理のために、割り込み^{[2]と対応するタイプ番号を生成するための準備が必要です。 [説明が必要]}

メモリマップド I/O を使用するコンピュータは、コンピュータが通常メモリにアクセスするために使用するのと同じアセンブリ言語命令を使用して、特定のメモリ位置を読み書きすることでハードウェアにアクセスします。別の方法としては、CPU に I/O 専用の命令を持たせる必要がある命令ベースの I/O があります。^[1]入力デバイスと出力デバイスのデータ処理速度は大きく異なります。^[2]非常に高速でデータを交換できるデバイスでは、 CPU の継続的な支援なしでメモリに直接アクセス(DMA) する必要があります。^[2]

より高レベルのオペレーティング システムとプログラミング機能では、より抽象的な個別の I/O 概念とプリミティブが使用されます。たとえば、ほとんどのオペレーティング システムは、アプリケーション プログラムにファイルの概念を提供します。ほとんどのプログラミング言語は、言語内のステートメントとして、または言語の標準ライブラリ内の関数として、I/O 機能を提供します。

特別なプリミティブ関数の代替として、プログラムが I/O のみを記述し、アクションがプログラム外で実行されることを許可するI/O モナドがあります。I /O関数はどのプログラミング言語にも副作用をもたらすため、これは注目に値しますが、これにより純粋に関数型のプログラミングが実用的になります。

オペレーティング システムによって提供される I/O 機能は、ファイルにレコードが含まれるレコード指向の場合と、ファイルにバイトのストリームが含まれるストリーム指向の場合があります。

チャネル I/O では、 I/O 操作を実行するために特別に設計された命令を使用する必要があります。I/O 命令はチャネルまたはチャネルとデバイスをアドレス指定し、チャネルは他の必要なすべてのアドレス指定および制御情報に非同期的にアクセスします。これは DMA に似ていますが、より柔軟性があります。

ポートマップ I/O では、特別な I/O 命令も使用する必要があります。通常、デバイスには 1 つ以上のポートが割り当てられ、それぞれに特別な目的があります。ポート番号は、通常の命令で使用されるアドレス空間とは別のアドレス空間にあります。

ダイレクト メモリ アクセス(DMA) は、デバイスが CPU から独立してメモリとの間で大量のデータを転送するための手段です。

• 非同期I/O
• I/Oバウンド
• 入力デバイス
• 出力デバイス

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