2009. 5.11 Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng. Keiichi MIYAJIMA メモリ（記憶装置） メモリの構成 メモリセルをたくさん並べることに より構成されている。 セル それぞれに1ビットの情報が入 る メモリセルマトリックス メモリのアドレス メモリにはアドレスが割り振られている アドレス（2進数） ０ (００００) 1バイト(8ビット) 1 (０００１) ２ (００１０) ３ (００１１) ４ (０１００) ・ ・ メモリの内部構造 ア ド レ ス 制 御 信 号 デ ー タ 列デコーダ バ ッ フ ァ 制御回路 行 デ コ ー ダ メモリセルマトリックス 読み書き回路 アドレス情報はデコーダにより 2次元のセルに対応される メモリの種類 ICメモリを機能的に分類する 大きく分けるとROMとRAMに分けられる MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ ROM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM ROM (read only memory) 電源を切ってもデータは消えない（不揮発性） 電源を入れて最初に実行するプログラムなど、消えては 困る情報を格納する。 その他、ゲームなど ROMはMASK-ROMとPROM（programmable ROM） とに分けられる メモリの種類 ICメモリを機能的に分類する 大きく分けるとROMとRAMに分けられる MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ MASK-ROM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM MASK-ROM IC内部の配線によってデータを記憶 •内容の後からの変更は不可能 •内容の変更はICそのものの作り直しとなるため、大変な 作業と莫大な費用がかかる。 •内容の変更がなく大量生産する場合は、量産効果によ り単価が一番安くなる。 •安定性に優れている。 メモリの種類 ICメモリを機能的に分類する 大きく分けるとROMとRAMに分けられる MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ PROM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM PROM (programmable ROM) ユーザが後からデータを書き込むことができるROM PROMは大きく分けて OTPROM (one time PROM) •1回のみ書き込みが行える EPROM (erasable PROM) •何度も書き込みが行える •さらにUV-EPROM, EEPROM, フラッシュメモリに分けら れる とに分けられる メモリの種類 ICメモリを機能的に分類する 大きく分けるとROMとRAMに分けられる MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ UV-EPROM MASK-ROM ROM ICメモリ SRAM RAM DRAM UV-EPROM (ultra violet EPROM) 記憶内容の消去に紫外線を用いる 紫外線消去型EPROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM フラッシュメモリ EEPROM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM EEPROM (electrically EPROM) 電源電圧より高い電圧をかけることにより、電気的に データを消去でき、基盤に実装したままデータを消去 して書き換えが可能 1ビットだけ書き換えると行ったような、細かい操 作は出ない。全てのビットをいったん消去して書き 換えなければならない。 フラッシュメモリ MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ EEPROMの欠点を改良したメモリ ブロック単位での消去／書き込みが可能 デジタルカメラやゲーム機のメモリカード、PC等に使われ るメモリスティックなど現在幅広く使われている。 フラッシュメモリ メモリの種類 ICメモリを機能的に分類する 大きく分けるとROMとRAMに分けられる MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM フラッシュメモリ RAM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM DRAM RAM (random access memory) 任意に読み書きできる 電源を切るとデータは消える（揮発性） RAMはSRAMとDRAMとに分けられる フラッシュメモリ SRAM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM SRAM (static RAM) フリップフロップ回路によって構成 •電源さえ供給されていれば記憶内容を保持することが可能 •読み書きの速度が高速 •1メモリセルあたりの回路が複雑であるため、大容量化が難 しく、コスト高 キャッシュメモリなど、コストより速度を重視する分野に 使用される。 DRAM MASK-ROM ROM OTPROM UV-EPROM EPROM EEPROM PROM ICメモリ SRAM RAM フラッシュメモリ DRAM DRAM (dynamic RAM) コンデンサによって構成 •コンデンサなので記憶内容の保持に頻繁なリフレッシュが必要 •リフレッシュ中はデータの読み書きができないので動作速度が SRAMより遅くなる •1メモリセルあたりの回路が簡単であるため、大容量化が容易、 コスト安 コンピュータの主記憶装置として使われる メモリの階層構造 高速 CPU （レジスタ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） ノイマン型のコンピュータでは、 最近参照された命令やデータ、 またその近くにある命令やデータ またすぐに、参照される確率が高い 参照の局所性(referential locality) 大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） この局所性の性質に着目 CPU 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） メインメモリ DRAM 低速・大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） この局所性の性質に着目 CPU キャッシュメモリ SRAM 高速・小容量 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） メインメモリ DRAM 低速・大容量 キャッシュメモリの性能はキャッシュアルゴリズムの善し悪しに よって変化する キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） キャッシュアルゴリズム 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 読み出しの時、一番よく使われているものは LRU (least recently used)方式 キャッシュメモリを複数のブロックに分けて管理し、空き ブロックがなくなったら、もっとも長い間参照されなかっ たブロックを追い出して新しいデータと置き換える。 大容量 キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） キャッシュアルゴリズム 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 書き込みの時 ライトスルー (write through)方式 •キャッシュメモリと同時にメインメモリにも書き込みを行う •書き込みに関しては、メインメモリのアクセス時間とおなじ なので、高速化されない ライトバック (write back)方式 •キャッシュメモリのみに書き込みを行う •いずれ、メインメモリにデータを書き込まなければならない ので、その動作が複雑になる キャッシュメモリ 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） １次キャッシュ、２次キャッシュ キャッシュメモリも１つだけでは十分な効果が得られな くなってきている CPU CPUコア L1キャッシュ L2 キャッシュ メイン メモリ 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） 主記憶装置では比較的安価で大容量なDRAMが 使われているが、さらに大容量のメモリを安価に実 現したい 参照の局所性(referential locality) ＋ ハードディスクの安価さ 仮想記憶 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 仮想記憶の方式： •ページング方式 •セグメント方式 ネットワーク （インターネット） 大容量 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） ページング方式： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU 仮想メモリ 単 A(ページ） 一 の 仮 想 ア ド レ ス 空 間 アドレス変換表 A メインメモリ 物 A B(ページ） B D C(ページ） C C D(ページ） D ハードディスク E(ページ） E F(ページ） F ページという固定されたブロックに分割 E B F 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） セグメント方式： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU 仮想メモリ アドレス変換表 1 ド プ セグメント1 2 レロ スグ 3 空 ラ セグメント2 間ム 4 ご セグメント3 と の 仮 セグメント4 想 ア セグメントという可変長ブロックに分割 メインメモリ 1 3 ハードディスク 4 2 物 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 仮想記憶の方式： ネットワーク （インターネット） •ページング方式 •マッピングの単位が固定長なので、メモリの管理が簡単 •セグメント方式 •メモリの管理が複雑 •プログラムのサイズに適したマッピングが行われるため 効率がよい •複数のプログラムを完全に独立して動作させることが 可能 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） スワップ (swap)： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU ドプ レロ スグ 空ラ 間ム ご と の 仮 想 ア 仮想メモリ アドレス変換表 1 セグメント1 2 セグメント2 3 セグメント3 4 セグメント4 メインメモリ 1 3 ハードディスク 4 2 物 理 ア ド レ ス 空 間 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） スワップ (swap)： 外部記憶装置 ネットワーク （インターネット） CPU ドプ レロ スグ 空ラ 間ム ご と の 仮 想 ア 仮想メモリ アドレス変換表 1 セグメント1 2 セグメント2 3 セグメント3 4 セグメント4 メインメモリ 1 2 ハードディスク 4 3 ス ワ ッ プ 仮想記憶の注意点 高 速 CP （レジス U タ） キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 ハードディスク （仮想記憶） 外部記憶装置 スワップ (swap)： ネットワーク （インターネット） ハードディスクの速度はメインメモリと比較 して非常に遅いので、スワップが多発すると 処理速度が急激に低下する メモリの高速化手法 •アクセスを速くする •データバス幅を広くする •メモリを並列に動作させる メモリの並列動作 インタリープ： メモリをバンクと呼ばれる単位に分割して、それ ぞれ独立してアクセスできるようにする バンクA 1 バンクB 3 5 2 見かけ上の アクセス 1 7 4 2 3 6 4 5 8 6 7 8 時間 見かけ上のアクセス時間を半分にできる 本日のまとめ メモリ（記憶装置） 1. メモリの構成 2. メモリの種類 3. メモリの階層構成 4. メモリの高速化手法 本日の課題 １． 次の４つの記憶装置をアクセス時間の短い順 に並べ替えよ。 （H16年春, H10年春 改題） ア．CPUの2次キャッシュメモリ イ．CPUのレジスタ ウ．ハードディスク（磁気ディスク） エ．主記憶（メインメモリ） ２．SRAMとDRAMについてその特徴と用途の違い （ H20年改） を記述せよ。 ３．メモリインターリープについて記述せよ （H11年秋, H13年春 秋, H14年秋, H17年春, H18年秋 改題）
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