コンピュータ構成要素(記憶装置と入出力装置)

2024年11月1日

　今回は前回の続きで記憶装置と入力装置、出力装置について説明しようと思います。内容を知らない人は目次で「半導体メモリ」から読んでください。

用語
半導体メモリ
補助記憶装置
入力装置
出力装置
まとめ

用語

RAM：読み書き可能、揮発性
DRAM：コンデンサ、低速、容量多い、安価、レフレッシュ必要
SRAM：フリップフロップ、高速、容量少ない、高価、レフレッシュ不要
ROM：読み出し専用、不揮発性
UV-EPROM：紫外線で全消去
EEPROM：電圧で1バイト単位の削除・書換え
フラッシュメモリ：電圧でブロック単位の削除・書換え
キャッシュメモリ：CPUと主記憶の間、主記憶より高速
ライトスルー方式：CPUからキャッシュメモリと主記憶の両方書き込む
ライトバック方式：CPUからキャッシュメモリだけ書き込む
メモリインタリーブ：主記憶装置を複数のバンクに分けアクセスの高速化
磁気ディスク：補助記憶装置の中で容量が多く、低速、安価
SSD：HDDと比べ容量が少し少なく、高速、省電力、衝撃に強く、高価
光ディスク：レーザー光で読み書き
POSシステム：バーコードによる情報収集システム
VRAM：ビデオ用RAM
dpi：dots per inch

半導体メモリ

　まずは半導体メモリについて説明していきます。半導体メモリにはRAMラム(Random Access Memory)とROMロム(Read Only Memory)があります。RAMは読み書きのできるメモリであり、電源を切ると内容が消えてしまう揮発性があります。ROMは本来(最近は書き込めるものもある)、読み出し専用のメモリであり、電源を切っても内容が消えない不揮発性があります。下記ではRAMについて2種類説明します。

DRAMディーラム(Dynamic RAM)：記憶にコンデンサを使用しており、速度は遅いが容量が多く安価。しかし定期的な記憶内容の再書き込みが(リフレッシュ)が必要。主記憶装置に使用される。
SRAMエスラム(Static RAM)：記憶にフリップフロップ回路を使用しており、速度は速いが容量が少なく高価。DRAMと違いリフレッシュが不要。キャッシュメモリ(後述)に使用される。

　下記では書き込むことができるPROM(Programmable ROM)について3種類説明します。

UV-EPROM(UV-Erasable PROM)：紫外線を照射することでデータを全消去することが可能。
EEPROM(Electrically EPROM)：電圧を使い、1バイト単位でデータの削除・書換えが可能。
フラッシュメモリ：EEPRPMの一種で、ブロック単位でデータの削除・書換えが可能。例としてUSBメモリやSDカードなどが挙げられます。

　SRAMの説明で書いたキャッシュメモリについて説明していきます。キャッシュメモリとは主記憶装置よりも高速なメモリのことをいいます。主記憶装置はCPUに比べて速度が遅いため、間に高速なキャッシュメモリを置くことでアクセス時間を短縮しています。このキャッシュメモリへ書き込む方式には以下の2つがあります。

・ライトスルー方式：キャッシュメモリと主記憶装置の両方に書き込む方式であり、一貫性が保たれる代わりに主記憶装置へのアクセスが増えるため低速。

・ライトバック方式：キャッシュメモリだけに書き込み、あとでまとめて主記憶装置に書き込む方式。一貫性を保つのが難しくなるが、主記憶装置へのアクセスが減るため高速。

　主記憶装置を複数の区画(バンク)に分け並列アクセスをできるようにすることで、アクセスの高速化をする方式のことをメモリインタリーブ。メモリインタリーブに対応していると、大容量のメモリを1つ増設するよりも同容量のメモリを2つ増設する方が、アクセスの高速化ができます。

補助記憶装置

　ここからは補助記憶装置について説明していきます。補助記憶装置は主記憶装置と比べて、容量が多く不揮発性だがアクセス速度が遅いという特徴があります。代表的なものとして「磁気ディスク(HDD)」、「SSD」、「フラッシュメモリ」、「光ディスク」などがあります。フラッシュメモリは上で説明したので省略します。

・磁気ディスク(HDD)：複数枚のディスクにデータが記録されており、磁気ヘッドを移動させながらデータの読み書きをする装置です。ディスクの表面にある最小単位をセクタといい、下図でいう区切られた1区画のことです。このセクタが円状にあるまったものをトラックといい、下図では真ん中のオレンジ色の部分で示しています。そしてトラックが集まり1面を構成しています。この記録方式をセクタ方式といいます。

　CPUが命令を出してからデータの読み書きが終わるまでの時間をアクセス時間といいます。アクセス時間は「位置決め時間」、「回転待ち時間」、「データ転送時間」の和で決まります。位置決め時間は磁気ヘッドをデータがあるトラックまで移動させる時間、回転待ち時間はデータが磁気ヘッドまで回転してくるのを待つ時間、データ転送時間はデータが磁気ヘッドを通過するのにかかる時間です。

・SSD：フラッシュメモリを用いた記憶媒体です。HDDと比べて衝撃に強く、消費電力が小さく、アクセス速度が速い代わりに高価で容量が少ないです。

・光ディスク：レーザー光を使用してデータの読み書きを行う装置です。例として「CD」、「DVD」、「BD」などが挙げられます。

入力装置

　ここからは入出力装置について説明していきます。まず、入力装置は文字や数字を入力する装置(キーボードなど)、位置情報を入力する装置(マウスなど)、イメージを入力する装置(イメージスキャナなど)に分類することができます。位置情報を入力する装置はポインティングデバイスと呼ばれています。バーコードを使用して商品の販売情報をリアルタイムに収集するシステムのことをPOSシステムといい、バーコードの例として以下の2つがあります。

JANコード：国コード、メーカコード、商品アイテムコード、チェックディジットで構成された商品を管理するためのコード。
QRコード：キャッシュレス決済にも使われている二次元コード。小さな領域に多くの情報を格納できる。

　小さなICチップにアンテナを組み合わせた電子荷札のことをRFID(ICタグ)といい、非接触で読み取りができます。交通系ICカードのSuicaなどが例として挙げられます。

出力装置

　ここからは出力装置について説明していきます。出力装置にはディスプレイやプリンタなどがあり、以下はディスプレイの種類と説明になります。

液晶ディスプレイ：カラーフィルタにバックライトなどを当てて色を表現する。光の透過を画素ごとに制御する。
有機ELディスプレイ：電極の間に電気をと発光する有機化合物を挟むため、バックライトなどが不要。薄型かつ低消費電力となる。

　ディスプレイの内容を一時的に記録するメモリのことをVRAM(Video RAM)といいます。ディスプレイに表現可能な解像度や色はVRAMの容量によって決まります。解像度の単位として、dpi(dots per inch)が用いられ、1インチ(約2.54cm)あたりのドット数で表現します。

　次にプリンタについて説明していきます。プリンタには「レーザプリンタ」、「インクジェットプリンタ」、「ドットインパクトプリンタ」などがあります。他にも3Ｄプリンタというものがあり、3Ｄデータを溶かした樹脂などを使い積み重ねる方法で立体を生成します。