ストレージの種類と領域管理

ストレージは、電源を切ってもデータを保持する補助記憶装置であり、記憶媒体の物理的な仕組みと、ファイルを媒体上に配置する領域管理の方法を合わせて理解する単元である。組込み機器では、フラッシュメモリや磁気ディスクといった記憶媒体の特徴を区別し、接続規格と合わせて用途に応じて選べることが求められる。本単元では、記憶媒体の特性、領域の管理方式、磁気ディスクの待ち時間の計算、携帯機器向けの規格の順に整理する。

記憶媒体の種類と特性

フラッシュメモリは、電気的に書き換えができ、電源を切ってもデータが消えない不揮発性メモリである。1つのメモリセルに記憶するビット数によって、SLC（Single-Level Cell）とMLC（Multi-Level Cell）に分けられる。SLCは1セルに1ビットを記録する方式であり、MLCは1つのメモリセルに複数の電圧状態を設けて2ビット以上を記録する方式である。MLCは同じセル数でより多くのデータを記憶できるため、大容量化に向いている。

一方で、MLCは電圧の差を細かく判定する必要があるため、書換え時間が長くなる傾向がある。また、書換え可能回数やデータ保持期間もSLCより短くなる傾向があり、容量と寿命や性能のどちらを重視するかが判断の基準になる。

DRAMとSRAMは、電源を切ると記憶が失われる揮発性メモリである。DRAMはコンデンサの電荷で、SRAMはフリップフロップで情報を保持する。フラッシュメモリとはこの点で役割が異なるため、不揮発性かどうかを基準に区別する。

領域の割当てと空き領域の管理

ファイルを媒体に配置するには、空いている領域を管理する仕組みと、ファイルのどのブロックがどこに置かれたかを記録する仕組みの両方が必要である。ビットマップ方式は、ブロックごとに空きか使用中かを1ビットずつ示すことで、空き領域を管理する方式である。

索引方式は、ファイルを構成する各ブロックの位置情報を索引表にまとめて記録する方式である。索引表を参照すればファイル内の任意のブロックの位置をすぐに把握できるため、途中のブロックへ直接アクセスする場合に有利となる。

連結方式は、各ブロックの中に次のブロックの位置を書き込み、その位置情報を順にたどってファイルを読む方式である。索引方式が位置情報を一つの表にまとめるのに対し、連結方式は位置情報をブロックの中に分散して持つ点で異なる。

複数の媒体に領域を割り当てる場合、空き領域が最大の媒体を選ぶ方式を採ると、割り当てのたびに最も使用量の少ない媒体が選ばれる。そのため、媒体ごとの割当て総量は次第に近づく。空き領域の大きさが同じときは、あらかじめ定めた順に選ぶという規則を加えることで、結果が一つに定まる。条件を一つずつ追って使用量を更新すれば、この種の割当て計算は確実に求められる。