人で無しのための計算機理論入門 その５ 仮想メモリ

なんだか国際問題にまで関わってきているような気がするこの人で無しのための計算機理論入門。きっと気のせいだということで、話を続けたいと思います。

今回は今では当たり前になったOSの重要な機能の一つ、仮想メモリについてお話ししたいと思います。

以前「その２」で、内部メモリと外部メモリの違いは価格だけだということをはなしました。一方、「その３」では、OSが無い段階のプログラムでは、内部メモリの大きさにプログラムが依存する場合があるということをお話ししています。そのようなハードウエアの差異をなくすのがOSであるということでしたね。

そのことについて今回は少々詳しく説明します。今回、比較的高度に専門的な内容ですので、理解できなくてもかまいません。このあたりのことを知らないIT業界の人なんかいっぱいいます。また、その分説明も詳しくなるため、文章も長いです。

では、まずCPUがどうやってメモリにアクセスするのかということについてお話ししたいと思います。

その２で、CPUとメモリはバスというもので結びついていて、バスにはアドレスバスとデータバスがあるということをお話ししました。

このバスは、基本的には電気信号を通す線、つまり電線ですが、機能が高度になり、高速化の要求に従っていろ色々なことがやられるようになっています、が、ここではそこまで詳しい内容にはふれません。

前回（その４）CPUとメモリの両方に関することとしてビット（bit）という単位が関係するという話をしました。そこでは、ビットとはCPUとメモリが一度に処理できる二進数の桁数であり、CPUがメモリにアクセスするとき指定するメモリの番地を表すときの桁数でもあるという話をしたと思います。

つまり、CPUがメモリとデータをやりとりするときに使われる信号線がデータバス、メモリの何番地のデータであるかを指定するのがアドレスバスというわけです。

遅まきながら、計算機が２進数を使用する理由は、それが、電線に流れる信号が、ONとOFFだけで表せられるからです。このあたりのことは、いずれ機会があればデジタル信号処理ということでお話しできるかもしれませんが、今回はごくイメージ的に。たとえば、モールス信号のように、とんつーとんつーと信号のあるなし、あるいは信号の長い短いで通信していた頃を思い出して下さい。その方が、明らかに明瞭に遠くまで信号を伝えることができますよね。計算機の世界では、同様に簡単なことをいかに速く動作させるか、処理させるかというようなことが基本的な考え方です。

さて、話しは、CPUとメモリの話に戻ります。内部メモリは動作が速いけれど高価で、外部メモリは遅いけれど安価というお話をしました。だいたい、現代のパソコンやスマホで使われる内部メモリは一般にDRAMと呼ばれる半導体のメモリですが、動作は数nsから数十nsで動作するのに比べて、HDDドライブなどの外部メモリはそれよりも数百倍ぐらい遅かったりします。ビットあたりの価格も逆方向に同じぐらい違いますけどね。

ところで、「その４」で説明しましたが、３２ビットでアクセスできるメモリアドレスの範囲は４Ｇ(ギガ）、６４ビットだと１６E（エクサ）でした。これに対して、現在の高機能スマホでもメモリは２Ｇが一般的。パソコンのCPUは６４ビットが普通ですが、せいぜい８Ｇから１６Ｇぐらいが一般的ではないでしょうか。つまり、CPUが指定できるメモリアドレスの範囲より、遙かに小さいことがわかります。

CPUは、基本的にメモリにアクセスする場合、単にアドレスを指定してその番地の内容を読み書きするだけ、です。一方、OSさんは、たくさんのプログラムが時分割で同時に走らせていることで、計算機では、あたかも並列に色々な処理ができるように見せかけています（これも、マルチタスクと呼ばれるOSの重要な機能です）あるいは、一つのプログラムでも、CPUがメモリアクセスできる番地いっぱいのデータを処理する場合もあります。

そのような場合、OSさんは、こっそりと、CPUさんをだまします。つまり、外部メモリにあるような、プログラムやデータもあたかも内部メモリにあるように見せかけて、CPUが指定する本来内部メモリにはないアドレスも、あるように見せかけてCPUに処理をさせるのです。このようなOSの働きによって、CPU側から見ると、あたかも広大なメモリ空間に何も考えずにアクセスできているようにみえる。そういうOSの機能のことを仮想メモリ、と呼びます。

ただし、CPUはハードウエア的には内部メモリにしかアクセスできないため、OSさんは、一生懸命できるだけCPUさんが早く処理をできるように色々予測しながら、内部メモリの内容が外部メモリの内容とあまり頻繁に入れ替えをしなくて済むように考えて処理をしています。このように仮想メモリという考え方によって、現代のCPUは内部メモリの大きさに関わらず、様々な処理を行えます。

ただし、処理の内容が大きく、一方それに比べて、相対的な内部メモリの大きさが小さいような場合、内部メモリと外部メモリとの間の内容の入れ替えをOSは頻繁にしないといけなくなります。これが、古いパソコンで、なにかあるとHDDがカリカリ動き出す理由です。

したがって、パソコンやスマホ、タブレットPCを長く使いたいならば、CPUの性能はもちろん、内部メモリ（一般にDRAMあるいはRAMとよばれる半導体メモリ）の大きさも重要です。個人的には、新しくパソコンを買うとしたら、一番高いCPUより、二番目に高いCPUを選択し、その分、メモリにお金を使う方が、長く使うことができると思います。私なんか、パソコンは８年前に買ったものですが、メモリは奮発して２Ｇ載せていました。さすがにそろそろ限界に近いですが、まだそれなりにではありますが、Windows8.1走ってますよ。