バスリクエスト

2025年10月14日

バスリクエスト

英語表記: Bus Request

概要

バスリクエストとは、コンピュータシステム内でCPU以外の周辺機器や専用コントローラ（特にDMAコントローラなど）が、データ転送のためにシステムの共通バス（データバスやアドレスバス）の利用権を一時的に要求するために発行する信号です。これは、コンピュータの構成要素における「制御バス」が担う、最も重要な交通整理機能の一つです。このリクエストを通じて、複数のデバイスが同時にバスを使用しようとする競合（コンテンション）を防ぎ、システム全体のデータ転送の整合性と効率を維持しています。

詳細解説

制御バスにおけるバスリクエストの役割

バスリクエストの概念は、私たちが現在学んでいる「コンピュータの構成要素 → バス構造 → 制御バス」という分類において、中核的な役割を果たします。データバスがデータを運び、アドレスバスがデータの場所を示すのに対し、制御バスは、いつ、誰が、どのバスを使うかという利用ルールを管理する司令塔だからです。

バスリクエスト（Bus Request: BR）は、この司令塔に対してデバイスが発する「すみません、今からこの高速道路を使わせてください」という申請書のようなものです。

動作のメカニズム

バスリクエストの動作は、通常、「バス調停（Bus Arbitration）」と呼ばれる一連のプロセスとして実行されます。このプロセスは、特に高速なデータ転送が求められるDMA（Direct Memory Access）転送時に不可欠となります。

リクエストの発行: 周辺機器やDMAコントローラが、メモリや他のデバイスと直接データをやり取りしたい場合、制御バスを通じてバス調停回路（Bus Arbiter）またはCPUにバスリクエスト信号（BR）を発行します。
調停と優先度判定: バス調停回路は、現在バスが使用中であるか（バスビジー信号の確認）、そして複数のリクエストが同時に来ている場合は、どのデバイスに優先的にバス権を与えるかを決定します。この優先度決定方式には、デイジーチェーン方式、ポーリング方式、独立リクエスト方式などがあり、システム設計によって異なります。どの方式を採用するかは、システムの性能や信頼性に直結するため、非常に重要な設計判断となります。
バス権の許可: 優先順位に基づき、バスの使用を許可されたデバイスに対して、制御バスを通じてバス許可信号（Bus Grant: BG）が送り返されます。この信号を受け取ったデバイスは、一時的にバスの「マスター」となり、データバスとアドレスバスを自由に使用できるようになります。
データ転送と解放: バス権を獲得したデバイスは、CPUの介入なしに高速でデータ転送を実行します。転送が完了すると、デバイスは制御バスを通じてバス解放信号を発行し、バス権をシステムに戻します。

バスリクエストの重要性

もしバスリクエストの仕組みがなければ、すべてのデータ転送をCPUが細かく管理しなければならず、CPUの負荷が極端に高まり、システム全体の処理速度が低下してしまいます。特に、最新のコンピュータシステムでは、グラフィックスカードや高速SSDなど、CPUを介さずに大量のデータをメモリとやり取りしたいデバイスが増えています。バスリクエストとそれに続くバス調停の仕組みは、これらの高性能デバイスが制御バスのルールに従ってバスを効率的に共有するための生命線なのです。この仕組みがあるからこそ、私たちはマルチタスクを快適に行えるのだ、と考えると、制御バスの奥深さに感銘を受けますね。

具体例・活用シーン

1. 高速道路の合流車線（メタファー）

コンピュータのシステムバスを、複数の車（データ）が走る高速道路だと想像してみてください。

高速道路（バス）: データバス、アドレスバス
交通整理係（調停者）: バス調停回路
合流したい車（デバイス）: DMAコントローラ、高速I/Oデバイス

CPUはすでに本線（バス）を走っている主要な車両ですが、脇道（周辺機器）からDMAコントローラが「大量のデータをメモリに運びたい」と考えます。このとき、DMAコントローラが交通整理係に対して送る「合流させてください！」という信号こそがバスリクエストです。

交通整理係（調停回路）は、本線が混雑していないか確認し（バスビジー信号）、安全が確認できれば「どうぞ、合流してください（バス許可信号）」と返します。これにより、DMAコントローラはCPUを待たせることなく、短時間だけ高速道路を占有し、データの転送を完了させることができます。この一連の流れが、制御バスの機能がいかに重要であるかを端的に示しています。

2. DMA転送（具体的な活用シーン）

バスリクエストの最も典型的な活用シーンは、DMA（Direct Memory Access）転送です。

周辺機器（例：ネットワークカード、ストレージデバイス）がCPUの介入なしに主記憶装置（メモリ）と直接データを交換したい場合、DMAコントローラがCPUに対してバスリクエストを発行します。CPUは、自身の処理を一旦停止し（ホールド状態）、バス権をDMAコントローラに譲ります。この「ホールド」と「バスリクエスト/許可」の連携により、CPUは他の計算処理に集中でき、入出力処理の効率が劇的に向上します。

資格試験向けチェックポイント

バスリクエストおよび制御バスの機能に関する問題は、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験で頻出します。

制御バスの役割: バスリクエストは、データバスやアドレスバスの利用権を管理する制御バスの機能であることを絶対に覚えておいてください。
バス調停回路: バスリクエストを受け付け、優先度を判断し、バス権を割り当てる仕組みを「バス調停（Bus Arbitration）」と呼び、その中心となるのがバス調停回路（Bus Arbiter）です。この回路の役割を問う問題は非常に多いです。
DMAとの関係: バスリクエストはDMA転送の基盤です。DMA転送の目的（CPUの負荷軽減、高速I/O）と、その実現にバスリクエストが不可欠であるという構造を理解しておきましょう。特に、DMA転送時にCPUが「ホールド」状態になることと、「バス許可信号」が送られるタイミングは重要です。
信号のペア: バスリクエスト（BR）とバス許可（Bus Grant: BG）は常にペアで出題されます。BRは「要求」、BGは「許可」であると、シンプルに整理しておくと混乱しません。
優先度方式: デイジーチェーン方式（数珠つなぎで優先度が決まる）やポーリング方式（調停者が順番に問い合わせる）など、バス調停の具体的な方式名とそれぞれの特徴も押さえておくと、応用問題に対応できます。