「組み込み」ならではの基礎知識　――スタートアップ・ルーチンからハードウェアまで

8 メモリとポート

　コンピュータは，論理的な処理を得意としています．メモリに納められている命令に従って，計算したり，判断したりします．ところが，人との対話を含む外の世界とのやりとりは，メモリがつながっているだけでは実現できません．組み込み機器では，周辺装置（I/O：input/output）を制御しなければなりません．つまり，モータを駆動したり，ブザーを鳴らしたり，スイッチの状態を読んだりします．ここでは，コンピュータがどのようにして論理の世界と，外の世界を操るかを見ていきましょう．

●CPUとデバイスはどうつながっているのか

　コンピュータは，CPUとデバイス（メモリとI/O）から構成されています．CPUは，番地（アドレス）が付けられている場所の内容を指定して，読んだり書いたり（アクセス）することができます．ですから，CPUに接続されるデバイスにはすべて番地が付けられています．このCPUがアクセスできる場所を総称して「アドレス空間」といいます．アドレス空間は論理的な世界です．CPUには，メモリをつなぐための空間（メモリ空間）のほかにI/Oをつなぐための空間（I/O空間）を持つもの（図8-1）と，I/O空間を持たないもの（図8-2）の2通りがあります．I/O空間を持たないCPUでは，メモリ空間にI/Oを配置します（このつなぎかたを，メモリ・マップドI/O，またはメモリ・マップ方式のI/Oという）．

　今回は，図8-2（メモリ・マップドI/O）の方式のCPUを使って説明します．この方式のCPUは，図8-3のようにCPUとデバイスを接続します．アドレス・バスは場所を指定するために使う信号線，データ・バスは場所の内容をやりとりするために使う信号線です．

　アドレス空間の大きさは，アドレス・バスが何本の信号線から構成されているかによって決まります．アドレス・バスにn本の線があれば，2ⁿヵ所の番地にアクセスできます．例えば，16本あれば2¹⁶で65,536番地，32本あれば2³²＝4×1,024×1,024×1,024で，4G（ギガ）番地分に対してアクセスできます．

〔図8-1〕メモリ空間とI/O空間を別々に持つ方式
アドレス空間＝メモリ空間＋I/O空間．メモリとI/Oには異なる命令でアクセスする．すなわち，メモリにはメモリ・アクセス命令（リード命令，ライト命令）を，I/OにはI/Oアクセス命令（入力命令，出力命令）を使う．

〔図8-2〕メモリ空間にI/Oをつなぐ方式
アドレス空間＝メモリ空間．I/Oもメモリの一部として扱い，メモリ空間の番地を割り当てる（このつなぎかたをメモリ・マップドI/Oという）．こちらの場合，I/Oにもメモリ・アクセス命令でアクセスする．

〔図8-3〕CPUとデバイスの接続
CPUとデバイスは，リード信号線，ライト信号線，データ・バス，アドレス・バスを使って接続される．複数のデバイスを接続する場合，これらの信号線はデバイス間で共有される．