FIFO バッファ（FIFO: ファイフォ）

2025年10月19日

FIFO バッファ（FIFO: ファイフォ）

英語表記: FIFO Buffer

概要

FIFO バッファは、「First-In, First-Out」（先入れ先出し）の原則に基づいてデータを一時的に保持する記憶装置です。これは、コンピュータの基本構造を支える「論理回路とゲート」の分類における「順序回路」の一種であり、特に「レジスタと記憶」の機能を実現するために使用されます。データの入力順序と出力順序が厳密に一致することを保証し、主に入力側と出力側の処理速度が異なる場合に、その速度差を吸収する緩衝材（バッファ）としての役割を果たします。

詳細解説

記憶と順序回路における役割

私たちが今、このFIFOバッファを学んでいる文脈は、論理回路の基本である「レジスタと記憶」の領域です。レジスタはデータを一時的に保持する高速な記憶素子ですが、FIFOバッファは、複数のレジスタを連結し、特殊な制御回路（順序回路）を組み合わせることで、単なる記憶機能を超えた「流れの制御」を実現しています。

FIFOバッファの最大の目的は、システム内の異なるコンポーネント間でデータ転送を行う際に生じるタイミングのずれや、処理速度の不均衡を解消することです。例えば、非常に高速にデータを生成するCPUと、比較的低速な周辺機器が通信する場合、CPUが生成したデータを一時的にFIFOバッファに保管しておくことで、データの取りこぼしを防ぐことができます。

動作原理と主要コンポーネント

FIFOバッファは、主に以下の3つの要素から構成されており、これらすべてが順序回路として機能します。

記憶領域（レジスタ群）: 実際にデータを保持するフリップフロップやレジスタの集合体です。これが「レジスタと記憶」の具体的な実装部分となります。
書き込みポインタ (Write Pointer): 次にデータが書き込まれるべき記憶領域の位置を示す順序回路（カウンタ）です。データが一つ書き込まれるたびに、自動的に次の位置を指すように更新されます。
読み出しポインタ (Read Pointer): 次にデータが読み出されるべき記憶領域の位置を示す順序回路（カウンタ）です。データが一つ読み出されるたびに、自動的に次の位置を指すように更新されます。

FIFOの動作の鍵は、この「書き込みポインタ」と「読み出しポインタ」が独立して動作する点にあります。書き込み側は、バッファが満杯でない限り自由にデータを入れます（エンキュー）。読み出し側は、バッファが空でない限り自由にデータを取り出します（デキュー）。常に最も古いデータが先に取り出されるため、「先入れ先出し」が保証されるわけです。

もし、書き込みポインタが読み出しポインタに追いついてしまった場合、それはバッファが満杯（オーバーフロー）であることを示します。逆に、読み出しポインタが書き込みポインタに追いついてしまった場合、それはバッファが空（アンダーフロー）であることを示し、これらの状態を検知する制御ロジックも順序回路として組み込まれています。これらの制御により、データの整合性が保たれるのです。

なぜ順序回路なのか

FIFOバッファを構成するフリップフロップ自体が、クロック信号に同期して状態を記憶する順序回路です。さらに、ポインタの更新（「次」の位置へ進む）という動作は、過去の状態（現在の位置）と現在の入力（書き込み/読み出し要求）に基づいて次の状態（次の位置）を決定するため、まさに順序回路の特性そのものです。この一連の流れの制御が、レジスタ群を効率的に利用する上で非常に重要になります。

具体例・活用シーン

FIFOバッファは、私たちが日常的に利用するあらゆるデジタル機器の内部で、データの流れをスムーズにするために欠かせない存在です。

プリンターの印刷待ち行列

家庭やオフィスでプリンターを使う際を考えてみましょう。パソコンが非常に速く印刷データを生成しても、プリンターの印刷速度はそれよりもずっと遅いですよね。

活用シーン: パソコンから送られた大量の印刷データは、まずプリンター内部のFIFOバッファに格納されます。パソコンはデータを送るだけ送ったらすぐに次の作業に移ることができます。プリンターは、バッファに溜まったデータを「先に入ってきたものから」順番に、自分のペースで印刷処理を進めます。これにより、高速な送信側と低速な受信側の間に齟齬が生じません。

コンビニのレジ待ち行列（アナロジー）

FIFOの原理を理解する上で、最も身近で分かりやすい比喩は「コンビニのレジ待ち行列」です。

想像してみてください。あなたはコンビニのレジに並んでいます。

データ入力（エンキュー）: お客さん（データ）が店に入ってきて、レジの列（FIFOバッファ）の最後尾に並びます。
先入れ先出しの原則: 店員さん（処理装置）は、必ず列の先頭にいるお客さんから順番に会計（処理）を行います。
ポインタの役割:
- 列の最後尾を示す目印が「書き込みポインタ」です。新しいお客さんが来たら、その目印が移動します。
- 列の先頭を示す目印が「読み出しポインタ」です。会計が終わったお客さんが列から離れたら、その目印が移動します。

この仕組みのおかげで、どんなに混雑していても、列に並んだ順番が崩れることはありません。FIFOバッファは、この人間の行列のルールを、デジタル回路の内部で忠実に再現しているのです。もし、この順番が守られなかったら、システムは大混乱に陥ってしまうでしょう。

資格試験向けチェックポイント

IT資格試験、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、FIFOバッファの原理を理解しているかが問われます。

FIFOとLIFOの対比: 最も頻出するパターンです。
- FIFO (First-In, First-Out): キュー（待ち行列）。先に入れたものが先に処理される。バッファやデータ転送に使われる。
- LIFO (Last-In, First-Out): スタック（積み重ね）。後に入れたものが先に処理される。サブルーチン呼び出し時の戻り番地の管理（レジスタ操作）に使われる。
- 「キューとスタック」の関係性として、それぞれの特徴と利用目的を明確に区別できるようにしてください。
バッファの目的: FIFOバッファが使用される根本的な理由（速度差、タイミングのずれの吸収）を問う問題が出ます。単にデータを記憶するだけでなく、「流れを制御する」機能が重要であることを覚えておきましょう。
ポインタの役割（応用情報技術者向け）: 応用情報技術者試験では、バッファのオーバーフロー（満杯）やアンダーフロー（空）を検知する条件として、書き込みポインタと読み出しポインタの関係性（例：ポインタが一致したとき、どちらの状態になるか）を問う計算問題や論理問題が出題されることがあります。
タクソノミーとの関連: FIFOバッファが「順序回路」として実現され、「レジスタと記憶」の機能を用いてデータフロー制御を行っていることを理解しておくと、ハードウェアの基礎知識を問う問題に対応できます。単なるソフトウェアのデータ構造（キュー）としてだけでなく、ハードウェア実装としての特性を把握することが肝心です。