【図解あり】メモリ(主記憶装置)を分かりやすく説明する




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【図解あり】メモリ(主記憶装置)を分かりやすく説明する

1つのコンピュータには、複数のメモリが内蔵されています。

  • レジスタ
  • キャッシュメモリ
  • メモリ(主記憶装置)
  • HDD・SSD(補助記憶装置)

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CPUの近くに位置するメモリほど

  • 高速な命令・データの転送
  • 小容量

という特徴を持っており、逆にCPUから遠くに位置するメモリ

  • 低速な命令・データの転送
  • 大容量

となります。

記憶階層

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この記事では、メモリ(主記憶装置)の

  • 基本構造
  • 基本原理

について説明していきます。

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基本構造

メモリ(主記憶装置)の基本構成

メモリ(主記憶装置)の基板(メモリ・モジュール)には、複数のメモリチップ(DRAM)が搭載されており、金属製の複数の接続ピンでマザーボードと接続する構造になっています。

メモリ・モジュール基板


出典:Aladdin Inc.
複数のDRAMをプリント基板上に搭載したメモリモジュールの種類

SIMM(Single Inline Memory Module) DIMM(Dual Inline Memory Module)
SIMM DIMM
特徴 表裏の対向する2つの端子に同一の信号が出ている 表裏の対向する2つの端子に異なる信号が出ている

DRAM

ランダムアクセスメモリ(Random Access Memory)の「ランダム・アクセス」は、

  • 磁気テープなどが蓄えているデータをその順番に取り出すこと(シーケンシャル・アクセス)が出来ないのに対し
  • アドレスを指定すればデータを自由に取り出すことが出来る

という意味です。

シーケンシャル・アクセス(Sequential・access)
Sequential・・・連続的な、順序通りな

DRAMの基本構造

半導体メモリが

  • 0
  • 1

の2進数の情報を蓄える部分をメモリセルと呼びます。

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メモリセルは、

  • 1つの選択トランジスタ(NMOSトランジスタ)
  • 直列配置されたコンデンサ

から構成されています。

メモリセル

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2進数

  • 0
  • 1

の区別は、コンデンサの電荷の有無で判断しています。

トランジスタがスイッチの役割を担っており、

  • スイッチをオン ➡️ コンデンサに電荷が貯まる。ある一定値以上に電荷がたまった状態・・・1
  • スイッチをオフ ➡️ コンデンサに電荷が貯まらない・・・0

と認識しています。

演算処理

DRAMメモリセルは、

  • ワード線(Word Line)
  • ビット線(Bit Line)

が縦横に格子状に走っており、その交差点に配置されています。

DRAMのメモリセル

DRAMの動作原理

DRAMの動作として

  • 書き込み動作
  • 読み出し動作

があります。

ワード線(Word Line)及びビット線(Bit Line)

  • 電位が高い時は H(High) ➡️ 2進数の[1]を書き込む
  • 電位が低い時は L(Low) ➡️ 2進数の[0]を書き込む

基本的に、電位の HL を制御して2進数のデータを書き込みます。

書き込み

メモリセルに[1]を書き込む・・・

  1. ワード線の電圧を上げた状態(電位の H)で
  2. ビット線の電圧を上げ
  3. トランジスタを通してコンデンサを充電
トランジスタを通して、ビット線からコンデンサ

  • 充電
  • 電荷の蓄積

がされます([1]が書き込まれる)が、すでに書き込まれていれば変化はありません。

メモリセルに[0]を書き込む・・・

  1. ワード線の電圧を上げた状態で
  2. ビット線の電圧を 0 [V]にして
  3. トランジスタを通して蓄えられた電荷を放電

DRAMの書き込み

読み出し

メモリセルの[1]の記憶情報の読み出し・・・

  1. ワード線の電圧を上げた状態(電位の H)にします
  2. ビット線に放電電流が流れ
  3. ビット線電位を瞬間的に上げます
  4. これを検出回路で検査
  5. [1]を判別します

メモリセルの[0]の記憶情報の読み出し・・・

  1. [0]のメモリセルではビット線に電流が流れず
  2. 電位が変化しないので[0]と判別できます。
    [0]を記憶しているメモリセルでは、ビット線の電位変化が生じません。

DRAMの読み出し

リフレッシュ

DRAMでは、コンデンサにおける蓄積電荷が微小な漏れ電流により徐々に記憶が失われます。

その為、一定の時間ごとに同一データを繰り返し書き込むリフレッシュ(refresh)という記憶の保持動作(再充電)が必要になります。

これがDRAMの「Dynamic(動的)」の名前の由来になっています。

データを保持するためには常に通電しておく必要があります

そのため

  • データのアクセスの有無に関わらず電力を消費
  • リフレッシュ間のデータ読み出し不可
  • CPUからのアクセス待機による速度低下

リフレッシュ(refresh)によるこの様な弊害もあります

基本原理

メモリ(主記憶装置)の基本原理

メモリ(主記憶装置)は

  • CPUが処理したデータ
  • HDD・SSD(補助記憶装置)から読み込んだデータ

を一時的に保管する場所として使用されます。

ノイマン型コンピュータの特徴であるプログラム内臓方式では、

  • 主記憶領域(命令領域、データ領域、スタック領域)・・・プログラムやデータを記憶
  • アドレス選択回路・読み書き回路・・・記憶したプログラムやデータの読み書きを制御

から成り立っています。

メモリ(主記憶装置)

メモリ(主記憶装置)は,バイト【Byte】単位で情報を記録しています。

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メモリ(主記憶装置)の中は1バイトごとの部屋が集まっています。

メモリ(主記憶装置)

各部屋の番号はアドレスと呼ばれ、CPUは,アドレスを指定してメモリ(主記憶装置)の部屋を特定し,情報の授受を行います。

メモリ(主記憶装置)

アプリケーション使用の際のメモリ(主記憶装置)の動作

アプリケーション使用の際のメモリ(主記憶装置)の動作

皆さんも、パソコンやスマートフォンで

  • Webブラウザ
  • Office系アプリケーション(Microsoft Office , Libre Office 等々)
  • SNS 等々

アプリケーションを日々使っていると思います。

その際の、OSでのメモリ(主記憶装置)の使われ方を説明します。

物理メモリ・論理メモリ

物理メモリ・論理メモリ

物理メモリ・・・実際のメモリ
物理メモリの末尾(高位アドレス側)に、OSが使うメモリ領域(システム領域)があります。

論理メモリ・・・
様々なアプリケーションが起動される際に、OSアプリケーションに割り当てるメモリ

論理メモリ物理メモリから割り当てられますが、アプリケーション側から見ると、は物理メモリを占有しているように見えますが、実際に占有しているのは割り当てられた論理メモリです。

他のアプリケーションが使用しているメモリ領域にはアクセスできないようになっています。

論理メモリの割り当ての際、物理メモリが不足する事があります。

その場合、OSが使用頻度の低いメモリ領域をHDD 等々(補助記憶装置)上の「スワップファイル」にスワップさせ、必要に応じてまたメモリ(主記憶装置)に書き戻します。

スワップ(Swap)・・・日本語で「交換」という意味です。

メモリ(主記憶装置)上での文脈ではメモリ(主記憶装置)の内容をHDD 等々(補助記憶装置)に退移動させる操作を指します。

HDD 等々(補助記憶装置)上でメモリ(主記憶装置)の替わりとして使われる領域を「スワップファイル」と呼びます。

アプリケーションに割り当てられた論理メモリ

アプリケーションに割り当てられた論理メモリ

  • コード領域(プログラム領域)・・・機械語に翻訳されたプログラムが格納
  • 静的領域・・・グローバル変数などの静的変数が格納
  • ヒープ領域・・・動的に確保されるメモリ領域
  • スタック領域・・・自動変数(ローカル変数)が格納

コメント

  1. […] […]