PIOモード(ピーアイオーモード)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

PIOモードとは、Programmed Input/Output（プログラムド・インプット/アウトプット）の略であり、コンピュータシステムにおいて、CPUが周辺機器とのデータ転送処理を直接制御する方式を指す。このモードでは、CPUが自らのプログラム実行によって周辺機器のレジスタを操作し、データを一つ一つ読み書きすることで入出力処理を行う。主にハードディスクドライブや光ディスクドライブなどのストレージデバイス、あるいはネットワークインターフェースカードといったI/Oデバイスとの通信に用いられていた、比較的に古いデータ転送方式である。CPUが直接データ転送の各ステップに関与するため、システム全体のパフォーマンスに与える影響が大きいという特徴を持つ。

詳細に入ると、PIOモードでのデータ転送は、CPUが周辺機器のコントローラチップが持つ特定のI/Oポート（アドレス）にアクセスすることで実現される。具体的には、CPUはデータレジスタ、ステータスレジスタ、コマンドレジスタといったコントローラ内の専用レジスタを読み書きすることで、周辺機器と通信する。データ転送を開始する際には、まずCPUがコマンドレジスタに処理内容を書き込み、ステータスレジスタを監視して周辺機器の準備完了状態を確認する。準備が整うと、CPUはデータレジスタからデータを読み出したり、データレジスタへデータを書き込んだりする。この一連の動作は、CPUがソフトウェア（デバイスドライバなど）を実行することで制御される。データは通常、CPUのレジスタを経由してメインメモリと周辺機器の間で転送されるため、CPUが常にその処理に関与し続ける必要がある。

この方式の最も大きな特徴であり、同時に最大の欠点となるのが、データ転送中にCPUが他の処理を行えないという点である。PIOモードでは、データを1バイトまたは1ワード（CPUが一度に処理できるデータ量）転送するごとに、CPUがレジスタを読み書きし、次のデータ転送が可能になるまで待機する必要がある。例えば、ハードディスクから大きなファイルを読み出す場合、CPUはそのファイルが完全に転送されるまで、大部分の時間をデータ転送の監視と制御に費やさなければならない。これは、CPUが本来実行すべきアプリケーションやオペレーティングシステムの処理を中断させ、システム全体のパフォーマンスを著しく低下させる要因となる。特に、データ転送速度が遅い初期の周辺機器や、大量のデータを扱う際にこの問題は顕著であった。CPUがI/O処理のために「張り付き」状態になることで、マルチタスク環境での応答性も悪化する。

PIOモードは、初期のISAバス時代から存在する技術であり、特にPC/AT互換機の発展と共に広く普及したIDE（Integrated Drive Electronics）/ATA（AT Attachment）インターフェースにおいて標準的なデータ転送方式として採用されていた。IDE/ATAでは、PIOモード0からPIOモード4まで、いくつかのモードが定義されており、それぞれ異なるデータ転送速度やタイミング制御を持つ。例えば、PIOモード0は最も遅く、最大3.3MB/秒程度の転送速度であったが、PIOモード4では最大16.6MB/秒まで高速化された。しかし、これらのモードにおいても、CPUの直接関与による高負荷という根本的な問題は解決されなかった。高速化が進んでも、CPUが待機する時間は減らず、その非効率性は変わらなかった。

このCPU負荷の問題を解決するために登場したのが、DMA（Direct Memory Access）モードである。DMAモードでは、DMAコントローラと呼ばれる専用のハードウェアがCPUの介入なしにメインメモリと周辺機器間で直接データを転送する。これにより、CPUはデータ転送中も他のタスクを実行できるようになり、システム全体の効率が大幅に向上した。現代のコンピュータシステムでは、ほとんどのI/OデバイスがDMAモードまたはさらに高速な転送方式（例：SATA, NVMe）を使用しており、PIOモードが直接利用されることは非常に稀である。CPUがI/O処理から解放されることで、より複雑な計算やアプリケーションの実行に集中できるようになった。

しかし、PIOモードが完全に消滅したわけではない。一部の組み込みシステムや、レガシーなデバイスとの互換性を保つ必要がある場合、あるいはシステムのデバッグ時など、特定の限定されたシナリオでその存在を確認できることがある。例えば、BIOS設定で互換性モードを選択した場合や、古いデバイスドライバが動作する環境では、意図せずPIOモードで動作している可能性も考えられる。また、IDE/ATAインターフェースの互換性維持のため、デバイスがDMAモードをサポートしない場合や、BIOS/OSがDMAモードを正しく設定できない場合に、フォールバック（代替手段）としてPIOモードが選択されることもある。その場合、ユーザーはパフォーマンスの著しい低下を体感することになり、システムが全体的に遅く感じられる原因となる。このような状況は現代では滅多に起こらないが、古いPCを扱ったり、特殊な環境でトラブルシューティングを行ったりする際には、PIOモードの知識が役立つこともある。

結論として、PIOモードはコンピュータシステムの初期において重要な役割を果たしたデータ転送方式だが、CPUに高い負荷をかけるという本質的な制約があったため、より効率的なDMAモードへと取って代わられた歴史的な技術である。現代の高速なコンピュータ環境においてはほとんど用いられることはなく、その知識は主に古いシステムの理解や、コンピュータアーキテクチャの進化を学ぶ上で役立つものとなっている。