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記憶装置(きおくそうち)とは、コンピュータが処理すべきデジタルデータをある期間だけ保持するのに使う、部品、装置、電子媒体の総称。メモリ(英: memory)またはストレージ(英: storage)とも。記憶装置はコンピュータの中核機能の1つである「情報の記憶」を行う。現代のコンピュータには必ず何らかの記憶装置があり、CPUと共に1940年代から使われ続けている基本的コンピュータモデルを実装している。

一般に、メモリは Random Access Memory (RAM) などの半導体記憶装置を指し、高速だが一時的な記憶に利用する。ストレージは、光ディスク、ハードディスクなどの磁気記憶装置といった、メモリよりも低速だがより恒久的な性質を持った記憶装置を指す。メモリは「一次記憶装置(主記憶装置)」、ストレージは「二次記憶装置(補助記憶装置)」にほぼ対応する。

このような分類は、一般的なコンピュータ・アーキテクチャに根ざしたものである。英語では「ストレージ」が記憶装置全般を指すことがあるため、二次記憶装置としてのストレージをマスストレージとも呼ぶ。

◆ 用途

様々な自然現象を利用した記憶装置が発明されてきた。しかし、実用的な万能記憶装置(媒体)は今のところ存在せず、それぞれに何らかの欠点がある。そのため、コンピュータシステムにはいくつかの種類の記憶装置が含まれ、それぞれに用途が限定されている。

デジタルコンピュータは、データを二進法で表す。テキストも数値も画像もビットの並びまたは2進数の数値に変換でき、各ビットは1か0の値をとる。最も一般的な記憶単位はバイトで、通常8ビットで構成される。コンピュータが情報処理するには、その情報を二進法で表現したもの、すなわちデータを格納できるだけの記憶装置の容量を必要とする。例えば800万ビット、すなわち約1メガバイトあれば、一般的コンピュータでは短い小説を格納できる。

コンピュータの最重要部品はCPU(プロセッサ)であり、データを操作し、計算を行い、他の部品を制御する。

メモリがないと、コンピュータは決められた処理を行って結果を即座に出力することしかできない。これは、電卓やデジタルシグナルプロセッサでは問題ない。それとは異なり、ノイマン型システムでは、命令とデータは共にメモリに格納される。そうすることで、新たな処理をするのにハードウェアの再構成をしなくて済み、単にメモリ上の命令列を書き換えればよいため、より汎用的になる。また、プロセッサには細かい処理を行う命令を実装するだけで済み、複雑な処理手続きを通しての状態を保持する必要がないため、設計が単純になる。今日、コンピュータのほとんどはノイマン型である。

実際、ほとんどのコンピュータは様々な種類のメモリを使っており、CPUを頂点として性能とコストのトレードオフを考慮した階層を形成している。一般に、階層上で高い位置にあるストレージほど帯域幅が大きく、CPUからのアクセスレイテンシが小さい。逆に、ビット当たりのコストは階層上で下の方ほど安価になるのが一般的である。

◆ 階層構造

◇ 一次記憶装置

一次記憶装置または主記憶装置は、CPUが直接アクセスできる唯一の記憶装置である。CPUはそこに格納されている命令を常に読み取り、実行している。頻繁に操作しているデータも同様の方法でそこに格納されている。

初期のコンピュータでは、水銀遅延線、ウィリアムス管、磁気ドラムメモリが一次記憶装置として使用された。1954年ごろ、磁気コアメモリがそれら信頼性の低い手法に取って代わった。トランジスタの発明によって全く新しい半導体メモリが生まれ、集積回路技術によるメモリに進化した。

これが現在の Random Access Memory (RAM) へと繋がっている。RAMは小さく軽いが、当初は非常に高価だった。一次記憶装置に使うRAMは揮発性のものが多く、電力が供給されないと情報が失われてしまう。

一次記憶装置は、さらにいくつかの階層に分かれており、それぞれ記憶容量と性能が異なる。

・ プロセッサレジスタは、プロセッサ内に存在する。各レジスタは一般に1ワードのデータ(32ビットや64ビット)を格納する。CPUの命令は、演算論理装置にレジスタ上のデータを使った計算や他の操作をさせるものである(それ以外の補助的な命令もある)。レジスタは記憶装置の中でも最速であり、フリップフロップで構成されている。

・ キャッシュメモリは、超高速なレジスタと若干遅いメインメモリの中間にある。システムの性能を強化するためだけに存在する層である。メインメモリ内の頻繁に使う情報をより高速なキャッシュメモリにコピーしておくことで処理速度を向上させることができる。キャッシュメモリはメインメモリより高速だが、容量は小さい。また、レジスタに比べると低速だが容量は大きい。キャッシュメモリ自体も階層化されることが多く、一次キャッシュは最も小さいが最速で、プロセッサに最も近い位置に配置される。二次キャッシュはそれよりも大きく低速である。さらに三次キャッシュがある場合もある。

メインメモリは、メモリバス(フロントサイドバスとも呼ぶ)経由でCPUと直接または間接に接続される。メモリバスは実際にはアドレスバスとデータバスで構成される。CPUはまず、アドレスバスにメモリアドレスと呼ばれる数値を送り、アクセスしたいデータの位置を指定する。次にデータ本体の読み書きをデータバスで行う。場合によってはCPUと一次記憶装置の間にメモリ管理ユニット (MMU) があり、仮想記憶という抽象化などのタスクを実施する。

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