【図解あり】記憶装置について分かりやすく説明する




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【図解あり】記憶装置について分かりやすく説明する

コンピュータは複雑な処理を出来るデジタル装置に見えますが、コンピュータ内部の動作自体は単純作業の繰り返しです。

  1. 保存してあるプログラム内の命令・データをメモリからCPUに読み出し
  2. CPUがプログラム内の命令・データを処理・実行
  3. CPUが書き出したデータをメモリに保存

となります。

コンピュータ内部の動作

1つのコンピュータ内部には数種類の記憶装置が存在します。

何故、コンピュータ内部には、複数の種類の記憶装置が存在するのでしょうか。

理想は1つの種類の小型で最高速の記憶装置で構成される事が望ましいですが、

  • コンピュータ内部の物理的な実装の制約
    • レイテンシ
    • スループット

    のインタフェースの限界

等の事情により、

  • 小容量・高速の記憶装置
  • 大容量・低速の記憶装置

を組み合わせて、コンピュータ内部の記憶装置を構成していく必要があります。

記憶階層

レイテンシ(latency)・・・
日本語で、

  • 隠れていること
  • 潜伏

という意味です。

コンピュータ界では、デバイスに対してデータ転送等を要求、その結果が返送されるまでの不顕性の高い遅延時間のことです。

レイテンシは、

  • レジスタキャッシュメモリメモリ(主記憶装置)の場合・・・ナノ秒単位
  • HDD・SSD(補助記憶装置)の場合・・・ミリ秒単位

読み取りと書き込みでレイテンシが異なる場合もあります。

スループット(Throughput)・・・
日本語で、

  • (一定期間内に処理される)原料の量
  • 情報量

という意味があります。

特にコンピュータ界では、単位時間当たりの処理能力(読み書き)のことを指します。

通常はメガバイト毎秒(MB/sec)等の単位を使います。

レイテンシと同様、読み取りと書き込みで異なる場合もあります。

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この記事では、

  • 記憶装置の特性
  • 記憶装置の技術
  • パソコン内部の記憶装置の構成

について説明していきます。

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記憶装置の特性

記憶装置の特性

揮発性と不揮発性

不揮発性記憶装置 揮発性記憶装置
電力の有無 電力供給無しでも格納した情報を保持 情報を保持するには、電力供給が必要
記憶装置 HDD・SSD 等々(補助記憶装置)
  • キャッシュメモリ
  • メモリ(主記憶装置)
特徴 長期間の記憶に適している
  • キャッシュメモリ
  • メモリ(主記憶装置)

には高速性が求められる為、揮発性記憶装置が適当

HDD・SSD RAM

ダイナミック(Dynamic)とスタティック(Static)

ダイナミック(Dynamic) スタティック(Static)
記憶方式 コンデンサの充電状態を使用 論理回路で構成されデータ
リフレッシュ動作(再書き込み) コンデンサの自然放電によるデータ消失を防ぐために定期的に必要 必要なし
bitあたりのコスト SRAMに比べて回路が単純で低コスト トランジスタ数やその配線がDRAMと比べ複雑で高コスト
記憶装置 DRAM SRAM
DRAM SRAM

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書き換え可能か否か

読み書き可能 読み取り専用 一度だけ書き込み可能 リライタブル
RAM
(Random Access Memory)
ROM
(Read Only Memory)
WORM
(Write Once Read Many)
ReWritable
特徴 情報をいつでも上書き可能 媒体製造時に情報を記憶させる 製造後に一度だけ書き込むことが可能 読み出しは自由に出来るが、上書きは自由に出来ない
記憶装置
  • DRAM
  • SRAM
CD-ROM
  • PROM(Programmable ROM)
  • CD-R(Compact Disc-Recordable)
  • EPROM(Erasable Programmable ROM)
  • フラッシュメモリ
  • CD-RW(Compact Disc-ReWritable)
RAM ROM CD-R フラッシュメモリ

アクセス方法

ランダム・アクセス シーケンシャル・アクセス
Random・access
Random・・・無作為な、手当たり次第な
Sequential・access
Sequential・・・連続的な、順序通りな
特徴 任意の位置へのアクセスを一定の時間で実行 決められた先頭位置からしかアクセス出来ない
記憶装置
  • キャッシュメモリ
  • メモリ(主記憶装置)
磁気テープ
RAM 磁気テープ

記憶装置技術

記憶装置技術

半導体

半導体記憶装置は、半導体による集積回路【IC】に情報を格納します。

半導体記憶装置

  • トランジスタ
  • コンデンサ

で構成されており、

  • 揮発性記憶装置・・・DRAMが多用さされている
  • 不揮発性記憶装置・・・フラッシュメモリのシェアが伸び続けている

があります。

DRAM フラッシュメモリ

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磁気

磁気記憶装置は、

  • ディスクやテープの表面に塗布された磁性体の磁化パターンを変化させることで情報を記憶
  • 磁気記憶装置は不揮発性
  • 情報へのアクセスに1つまたは複数の読み書き用ヘッドを使用
  • ディスクドライブ・・・
    • フロッピーディスク
    • ハードディスクドライブ
  • 磁気テープ装置
ディスクドライブ 磁気テープ装置
フロッピーディスク ハードディスクドライブ(HDD)
フロッピーディスク ハードディスクドライブ(HDD) 磁気テープ

光学

光学記憶装置は、

  • 円板表面の性質を変化させることで情報を格納
  • 半導体レーザーを表面に当てて反射光を測定することで情報を読み取る
  • 光学記憶装置は不揮発性

という特徴を持っており、

  • 読み取り専用媒体・・・表面の変化が永久的なもの
  • ライトワンス媒体・・・一度だけ変化させられるもの
  • リライタブル媒体・・・何度も書き換え可能なもの

があります。

読み取り専用媒体 ライトワンス媒体 リライタブル媒体
ROM
(Read Only Memory)
WORM
(Write Once Read Many)
ReWritable
  • CD-ROM
  • DVD-ROM
  • BD-ROM
  • CD-R
  • DVD-R
  • BD-R
  • CD-RW
  • DVD-RW
  • BD-RE

紙記憶装置は、

  • 情報は紙に穴を開けることで記録
  • 機械的または光学的に穴の位置を知ることで情報を読み取る

紙による記憶媒体としては、紙テープパンチカードがあります。

パンチカード

パソコンの記憶装置の構成

2013年ミドルシーズン Mac Book Air 11インチ モデルのハードウェアを見てみましょう。

  • CPU・・・ダブルコア・周波数 1.3 GHzのCore i5
  • 2次キャッシュメモリ・・・512 KB
  • 3次キャッシュメモリ・・・3 MB
    キャッシュメモリ
  • メモリ(主記憶装置)・・・4 GB
    メモリ(主記憶装置)
  • SSD(補助記憶装置)・・・128 GB

記憶装置

CPUとメモリ(主記憶装置)の関係

CPUの中の演算情報を格納する「レジスタ」という記憶装置があります。

レジスタ

1つのレジスタに格納できる情報のサイズはCPUの種類によって異なります。

大きなビット(Bit)数のレジスタを持つCPUほど,同時に演算できる情報のサイズが大きくなり,プログラムの実行速度が速くなります。

レジスタ


出典:Apple Inc.

上記に「大きなビット(Bit)数のレジスタを持つCPUほど,同時に演算できる情報のサイズが大きくなり,プログラムの実行速度が速くなります。」と書きましたが、実際はCPUの中のレジスタのビット数によって、扱えるメモリ(主記憶装置)の空間の大きさには限界があります。

CPU 32 bit・・・ 2 ^ 32 = 4,294,967,296 (4G(ギガ) Byte)
➡️32 Bit・アドレスのCPUが扱えるメモリ(主記憶装置)空間の大きさは、4G Byte

4G Byteを超えるメモリ(主記憶装置)を32ビット・CPUが搭載しても、4G Byteを超える部分は直接的には扱えません。

CPU 64 bit・・・2 ^ 64 = 1.8446744e+19 (16E(エキサ) Byte)
➡️64 Bit・アドレスのCPUが扱えるメモリ(主記憶装置)空間の大きさは、16 E Byte

現在の、64 Bit・アドレスのCPUは、CPU内部でアドレスの幅を40 bitに狭めることによってメモリ(主記憶装置)空間を1T Byteに縮小しています。

CPU 40 bit = 2 ^ 40 = 1.0995116e+12 (1T(テラ) Byte)

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