今回は、コンピューターの5台装置の一つである主記憶装置・2次記憶装置をはじめとするメモリについて解説します。
コンピューターの5大装置とは？
メモリとは
メモリとは、データを格納しておくための装置の総称です。様々な種類があり、主記憶装置や2次記憶装置、キャッシュメモリなどが挙げられます。それぞれ目的や容量、速度などが異なります。
主記憶装置とは
主記憶装置とは、データを一時的に記録する装置です。HDDやSSDのようなストレージとは異なり、文章や履歴をあくまでも一時的に保存します。主記憶装置は勉強机だと考えましょう。数学の勉強をするときは、数学のテキストを勉強机に広げますが、あくまで一時的に広げているだけであってずっとそのままにはしませんよね。また、主記憶装置はメインメモリとも呼ばれます。
2次記憶装置（ハードディスク）とは
2次記憶装置は、データを永続的に記憶する装置です。先ほどの主記憶装置とは異なり、一時的ではありません。他の機器へのデータの運搬や複製、配布などのために利用されます。例えるなら棚のようなもので、ずっとデータを保管しておける場所です。主記憶装置に比べて記憶しておけるデータの容量も大きいです。勉強机（主記憶装置）に比べると棚（2次記憶装置）は距離が遠いので、取り出すのに時間がかかってしまうことも特徴です。
キャッシュメモリとは
キャッシュメモリは、CPU内部にある高速メモリであり、頻繁に使用されるデータや命令を一時的に保存します。これにより、CPUがデータを主記憶装置から直接取得するよりも速くアクセスできるようになります。キャッシュメモリには、レベル1（L1）、レベル2（L2）、レベル3（L3）といった階層があります。L1キャッシュは最も高速で小容量、L3キャッシュはL1とL2に比べて遅いですが大容量です。
メモリの種類
メモリは、データを一時的に保存する揮発性のメモリか、データを永続的に保存する不揮発性のメモリかで以下の2種類に大別することが出来ます。
- RAM
- ROM
RAMは読み書きができるメモリのことで、電源を切ると記憶していた内容が消えてしまう揮発性があります。そしてRAMの中でも2種類に分けることが出来ます。
- DRAM
- SRAM
DRAMは、コンデンサに電荷を備えた状態か否かによって1ビットを表現します。構造が簡単で高集積化に適しているため、SRAMに比べて大容量で安価です。ただし、コンデンサは放置しておくと自然放電してしまう特性があり、一定時間ごとに記憶内容を維持するリフレッシュ動作（再書き込み）が必要です。DRAMは主記憶装置に用いられています。
SRAMは、フリップフロップ回路で構成され高速ですが、構造が複雑で集積度を高めにくいため、DRAMに比べて小容量で高価です。電源が供給されている限り，記憶内容を保持し続けるため、リフレッシュ動作が不要になります。SRAMはCPU内のキャッシュメモリに用いられています。
ROMは読み出し専用のメモリで、電源を切っても記憶しておいた内容が消えない不揮発性があります。これは、2次記憶装置などに用いられています。
実効アクセス時間とは
実効アクセス時間とは、CPUがデータを読み出すのにかかる時間のことです。CPUがアクセスするデータは、キャッシュメモリか主記憶装置（メインメモリ）のどちらかに存在します。そのため、キャッシュメモリにデータが存在している確率が高いほど、実効アクセス時間は短くなります。
CPUの命令プロセスについては以下をご覧ください。
CPUとは？大事なところだけ解説！
まず、CPUがアクセスするデータがキャッシュメモリに存在する確率をヒット率と言います。そして、ヒット率とキャッシュメモリのアクセス時間、主記憶装置のアクセス時間が分かれば、実効アクセス時間を求めることが出来ます。
例えば、以下の実効アクセス時間を求めてみましょう。
- ヒット率 85％
- キャッシュメモリのアクセス時間 10ナノ秒
- 主記憶装置のアクセス時間 60ナノ秒
キャッシュメモリに存在する確率は85%、主記憶装置に存在する確率は100-85=15%です。よって、以下の式で求めることが出来ます。
10 * 0.85 + 60 * 0.15 = 17.5ナノ秒
一方、キャッシュメモリが存在しない場合は、60ナノ秒です。
つまり、キャッシュメモリを使うことでアクセス時間を60 – 17.5 = 42.5ナノ秒短縮したことになります。
キャッシュメモリへの書き込み
アクセスするデータがキャッシュメモリに存在していれば、実効アクセス時間が短くなることはわかりました。そのため、一度アクセスしたデータをキャッシュメモリに書き込んで、キャッシュメモリにデータが存在する確率を上げることが重要になります。キャッシュメモリへの書き込みには、2種類の方式があります。
- ライトスルー方式
- ライトバック方式
ライトスルー方式とは、キャッシュメモリと主記憶の両方を書き込む方式です。常にキャッシュメモリと主記憶の内容が一致するため、一貫性が保たれます。しかしその一方で、主記憶へのアクセスが頻繁に発生するため低速です。
ライトバック方式とは、キャッシュメモリだけ書き込み、主記憶にはデータがキャッシュメモリを追い出されるときに書き込む方式です。キャッシュメモリと主記憶の内容が一致しないため、一貫性を保つための制御が複雑になります。しかし、主記憶へのアクセスが減るため高速です。
まとめ
今回は、コンピューターの5台装置の一つである主記憶装置・2次記憶装置をはじめとするメモリについて解説しました。メモリは大別して、揮発性のRAMと不揮発性のROMがありました。また、実効アクセス時間の計算方法や、キャッシュメモリへの書き込み方式についても解説しました。
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