メモリの種類と記憶階層

要点と定義

メモリは、データや命令を記憶する装置です。記憶装置には、電源を切ると内容が失われるか、アクセスが速いか、どれだけの容量を持つか、容量あたりのコストがどの程度かなどの違いがあります。目的に応じて、性質の異なる装置を組み合わせます。

主記憶とアドレス選択

主記憶装置は、データを保持する記憶部、アドレス選択機構、読取り書込み機構などから構成されます。読み書きする場所をアドレスで指定し、アドレス選択機構が対象の場所を選び、読取り書込み機構がデータを読み取る、または書き込みます。与えられた対応表を使って、データが物理的な主記憶のどこにあるかを特定する問題では、データ名と物理ページ番号の対応を一つずつ確認します。仮想ページ番号を物理ページ番号と同一視せず、示された対応に従うことが必要です。

半導体メモリの種類

半導体メモリには、揮発性のRAMや不揮発性のROM、フラッシュメモリなどがあります。RAMは読み書きに使うメモリの総称であり、RAMという名称だけで揮発性・不揮発性を決めることはできません。個々の方式の性質を確認します。

DRAMはコンデンサに蓄えた電荷で情報を記憶します。電荷は時間とともに失われるため、内容を保つには周期的なリフレッシュが必要で、電源を切ると内容が失われる揮発性メモリです。セル構造が比較的単純で高集積化しやすく、ビット単価を低くしやすいため、主記憶に広く使われます。

SRAMはフリップフロップ回路をメモリセルに用います。DRAMのようなリフレッシュは不要で、アクセスが速い一方、セルの構成が複雑で大容量化のコストが高くなりやすいため、CPUのキャッシュなどに使われます。セルがコンデンサとトランジスタで構成されるか、フリップフロップ回路を使うかが、両者を区別する手掛かりです。

フラッシュメモリは電源を切っても内容を保持する不揮発性メモリです。データは電気的に消去し、消去単位はブロックです。書込み単位と消去単位が同じとは限らず、任意の小さな範囲をそのまま消去できるとは限りません。USBメモリ、SDメモリカード、SSDなどに利用されます。

キャッシュと記憶階層

CPUと主記憶のアクセス速度には差があります。キャッシュメモリは、主記憶のデータの一部を高速なメモリに置き、CPUが必要とするデータをより速く得られるようにする仕組みです。主な目的はCPUと主記憶の速度差を補うことです。実記憶と仮想記憶の容量差を埋める仕組みではありません。キャッシュにデータがないときは、通常、必要なデータを主記憶から読み込みます。

書込み方式にはライトスルーとライトバックがあります。ライトスルーでは、書込み時にキャッシュと主記憶の両方を更新します。両方の内容をそろえやすい一方、主記憶への書込みが毎回発生します。ライトバックでは、先にキャッシュを更新し、変更内容をキャッシュから追い出すときなどに主記憶へ書き戻します。主記憶への書込み回数を減らせますが、書き戻しまで主記憶に古い値が残ることがあります。

記憶階層では、CPUに近い高速で容量あたりのコストが高い記憶装置から、容量が大きくコストを抑えやすい補助記憶までを組み合わせます。キャッシュ、主記憶、補助記憶は速度や容量の異なる階層です。キャッシュは主記憶の容量を増やすものではなく、アクセスの平均時間を短くするために使います。

実効アクセス時間

キャッシュのヒット率は、アクセスしたデータがキャッシュに存在した割合です。ヒット率を h、キャッシュのアクセス時間を t₍c₎、主記憶のアクセス時間を t₍m₎とし、ミス時にはキャッシュの確認に加えて主記憶へのアクセスが発生するモデルなら、実効アクセス時間は t₍c₎＋(1−h)×t₍m₎ です。たとえば、キャッシュが10ナノ秒、ヒット率が90％、主記憶が80ナノ秒なら、10＋(1−0.9)×80＝18ナノ秒です。キャッシュのない方式では、条件に示された主記憶アクセス時間を使います。

メモリインタリーブ

メモリインタリーブは、主記憶を複数の独立して動作するバンクに分け、各バンクへ並列または交互にアクセスして主記憶を高速化する方式です。一つのバンクが処理中に別のバンクへのアクセスを進められる場合、全体の待ち時間を減らせます。同じバンクへのアクセスが続く場合などは、並列化の効果が限られます。キャッシュの書込み方式や、CPUを介さないデータ転送とは異なる仕組みです。

取り外し可能な記録媒体

記録媒体には、磁気記憶、光記憶、半導体メモリを使うものがあり、取り外して運べる媒体はリムーバブルメディアと呼ばれます。媒体を選ぶ際は、容量、可搬性、読み出し専用・追記型・書換型といった記録方式、用途を確認します。SDXCについて、この資料の設問で確認できる特徴は、ファイルシステムにexFATを採用し、最大2テラバイトに対応することです。規格の世代によって特徴が異なるため、別の規格の容量や形式を当てはめないようにします。