一次記憶装置

商品名

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

一次記憶装置で使うRAMは揮発性であるため、それだけでは電源を入れたときにCPUが実行する命令を読み出すことができない
そこで、小さな立ち上げプログラム(BIOS)の格納された不揮発性メモリを使ってブート処理を行う
ブート処理では、不揮発性の二次記憶装置からより大きなプログラムをメインメモリに持ってきて、それを実行する
ここで使われる不揮発性メモリを Read Only Memory (ROM) と呼ぶ

"ROM" と呼ばれるメモリは実際には「リードオンリー」ではないことが多く、更新が可能である
しかし、書き込みは遅く、再書き込みの前に消去する必要がある
組み込みシステムではプログラムを書き換えることが少ないため、ROM上のプログラムを直接実行することがある
普通のコンピュータではROMにBIOSなどの単純なプログラム以外を置くことはなく、プログラムは不揮発性の二次記憶装置に記憶しておくのが一般的である

前述したとおり、英語では「一次記憶装置」は primary storage だが、最近では storage の意味が日本語での用法に近い場合があるため、primary storage が本項目で言うところの「二次記憶装置」を意味する場合も出てきている

二次記憶装置

商品名

二次記憶装置または補助記憶装置は、CPUから直接アクセスできない点が一次記憶装置と異なる
コンピュータは通常、入出力チャネルを使って二次記憶装置にアクセスし、必要なデータを一次記憶装置上のバッファに転送する
二次記憶装置は電源が切れてもデータが失われない、不揮発性である
また、価格も一次記憶装置に比べると桁違いに安価である
結果として、現在のコンピュータは一次記憶装置よりも大容量の二次記憶装置を備え、そこにデータを長期間記憶しておくことが多い

現在のコンピュータは、二次記憶装置としてハードディスクドライブを使うのが一般的である
ハードディスク上のデータアクセスにかかる時間はミリ秒単位である
一方、RAM上のデータアクセスにかかる時間はナノ秒単位である
これはハードディスクが機械的に可動(回転)する装置であるためで、メインメモリと比較すると約100万倍遅い
CDやDVDなどの光学ドライブはさらにアクセス時間が長い

二次記憶装置に使われる他の技術としては、フラッシュメモリ(USBメモリなど)、フロッピーディスク、磁気テープ、紙テープ、パンチカード、メインメモリとは異なるRAMディスク、ZIPドライブなどがある

二次記憶装置はファイルシステムとしてフォーマットされることが多く、それによってデータをファイルやディレクトリに抽象化し、ファイルの所有者、アクセス時間、アクセスパーミッションなどの付加的情報(メタデータ)も提供する

多くのオペレーティングシステムは仮想記憶の概念を使い、システムが物理的に利用可能な容量以上の一次記憶装置(メインメモリ)を使えるようにする
一次記憶装置が一杯になると、システムは最も使われていない部分(ページ)を二次記憶装置(スワップファイル)に移し、後で必要になったときに一次記憶装置に戻す
このやり取りが多くなると、システム全体の性能は低下する

三次記憶装置

三次記憶装置は、記憶装置の第三の階層である
典型的な例として、ロボット機構を使って必要に応じて記憶媒体をドライブに挿入したり除去したりする装置がある
データは使用する前に二次記憶装置にコピーすることが多い
これは主に滅多に使わないデータの保管に使う(三次記憶装置は二次記憶装置よりもさらに遅く、アクセス時間は数十秒レベルである)

コンピュータが三次記憶装置から情報を読み取る必要が生じると、まずカタログデータベースを参照して、必要な情報を格納しているテープやディスクを特定する
次に、ロボットアームにコンピュータが指示して、その媒体をドライブに挿入させる
コンピュータが情報の読み取りを終えると、ロボットアームが媒体を元の場所に戻す

オフラインストレージ
オフラインストレージとは、CPUの制御下にないストレージである[3]
その記憶媒体は二次記憶装置か三次記憶装置として書き込まれ、物理的に外されたり、除去されたものである
つまり、再びアクセスするには、人間が媒体をドライブに挿入したり、装置を接続したりする必要がある
三次記憶装置とは異なり、人間が介在しないとアクセスできない

オフラインストレージは、物理的なデータ転送手段としてよく利用される
また、ディザスタリカバリのためにバックアップを遠隔地に保管する手段としても有効である
オフラインストレージは情報セキュリティの観点からも重要であり、物理的に即座に内容にアクセスできず、コンピュータを使った悪意ある攻撃からも安全である
また、保管目的で情報を記憶させる場合、ほとんど滅多にアクセスすることがないなら、三次記憶装置よりもずっと安価に保管できる

最近のパーソナルコンピュータでは、二次記憶装置や三次記憶装置として利用される記憶媒体は、オフラインストレージとしても利用できるものが多い
光ディスクやフラッシュメモリが代表的だが、リムーバブルのハードディスクドライブもある
企業においては磁気テープが比較的多く利用されている
古くは、フロッピーディスク、ZIP、パンチカードなどがあった

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