【真面目版】コンピュータの記憶装置とは？階層構造を初心者向けに徹底解説

まず知っておきたい「記憶の階層」

        ▲  速い・高価・小容量
       / \
      / レ \        ← レジスタ
     / ジ ス \
    /  タ    \
   /──────────\
  / キャッシュ  \    ← キャッシュメモリ
 /  メモリ      \
/────────────────\
|   主記憶装置    |   ← メインメモリ（RAM）
|  （メインメモリ）|
|────────────────|
|   補助記憶装置   |   ← HDD, SSD, USBメモリなど
|────────────────|
        ▼  遅い・安価・大容量

たとえるなら、こんなイメージです。

• レジスタ → あなたの「手」。今まさに作業している紙を持っている
• キャッシュメモリ → 「机の上」。すぐ手が届く範囲に置いてある資料
• 主記憶装置（RAM） → 「引き出し」。作業中によく使うものをしまっておく場所
• 補助記憶装置 → 「本棚や倉庫」。たくさん保管できるが、取りに行くのに時間がかかる

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1. レジスタ（Register）

レジスタはCPUが計算をするときに、一時的にデータを置いておく場所です。容量は数十〜数百バイト程度しかありませんが、CPUと一体なので読み書きが圧倒的に速いのが特徴です。

💡 試験ポイント： レジスタには用途別の種類があります。

• プログラムカウンタ（PC）：次に実行する命令の場所を覚えておく
• 命令レジスタ（IR）：今実行している命令そのものを保持する
• アキュムレータ：演算結果を一時的に保持する
• ベースレジスタ／インデックスレジスタ：メモリのアドレス計算に使う

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2. キャッシュメモリ（Cache Memory）

CPUはとても速いのに、メインメモリはそこまで速くありません。この速度差を埋めるために、よく使うデータのコピーを高速なキャッシュメモリに置いておきます。

身近な例で言えば、図書館（メインメモリ）から何度も借りる本を、自分の机の上（キャッシュ）に置いておくようなものです。

💡 試験ポイント

• ヒット率：キャッシュにデータがあった割合。ヒット率が高いほど高速に動作します。
• L1キャッシュ、L2キャッシュ：キャッシュにも階層があり、L1が最速・最小、L2はやや遅いが大きい。
• SRAM（スタティックRAM） という高速なメモリが使われています。

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3. 主記憶装置（メインメモリ／RAM）

皆さんがパソコンのスペックで見る「メモリ 8GB」「メモリ 16GB」がこれです。アプリを起動したり、ファイルを開いたりすると、補助記憶装置からデータが主記憶に読み込まれ、CPUが処理します。

💡 試験ポイント

• RAM（Random Access Memory）：どのアドレスでも同じ速度でアクセスできる。
• DRAM（ダイナミックRAM）：メインメモリに使われる。定期的にデータを書き直す「リフレッシュ」が必要。安価で大容量。
• SRAM（スタティックRAM）：キャッシュメモリに使われる。リフレッシュ不要で高速だが、高価で小容量。
• 揮発性メモリ：電源を切るとデータが消える。RAMはこれに該当します。

DRAMとSRAMの比較

項目	DRAM	SRAM
速度	やや遅い	速い
価格	安い	高い
容量	大きい	小さい
リフレッシュ	必要	不要
主な用途	メインメモリ	キャッシュメモリ

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4. ROM（Read Only Memory）

ROMは不揮発性メモリで、コンピュータを起動するための基本プログラム（BIOS/UEFIなど）を保存するのに使われます。

💡 試験ポイント：ROMの種類

• マスクROM：工場で一度だけ書き込む。書き換え不可。
• PROM：ユーザが1回だけ書き込める。
• EPROM：紫外線を当てて消去し、書き換えられる。
• EEPROM：電気的に消去・書き換えができる。
• フラッシュメモリ：EEPROMの発展形。USBメモリやSSDの中身はこれです。

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5. 補助記憶装置（外部記憶装置）

5-1. HDD（ハードディスクドライブ）

回転する金属の円盤（ディスク）に、磁気でデータを記録する装置です。大容量で安価ですが、物理的に円盤を回してデータを読み書きするため、SSDと比べるとアクセスが遅いです。

💡 試験ポイント

• セクタ：データ記録の最小単位
• トラック：ディスク上の同心円状の領域
• シリンダ：複数のディスクの同じ位置にあるトラックをまとめた概念
• シーク時間：読み書きヘッドが目的のトラックまで移動する時間
• 回転待ち時間：目的のセクタがヘッドの下に来るまでの待ち時間
• アクセス時間 ＝ シーク時間 ＋ 回転待ち時間 ＋ データ転送時間

5-2. SSD（ソリッドステートドライブ）

フラッシュメモリを使った記憶装置で、HDDのような物理的な回転部品がありません。そのためアクセスが非常に高速で、衝撃にも強いのが特徴です。ただし、HDDに比べると容量あたりの価格がやや高めです。

5-3. 光ディスク（CD / DVD / Blu-ray）

レーザー光を使ってデータを読み書きする記憶媒体です。

種類	容量の目安	特徴
CD-ROM	約700MB	読み取り専用。音楽CDなど
CD-R	約700MB	1回だけ書き込み可能
CD-RW	約700MB	何度でも書き換え可能
DVD	約4.7GB	CDより大容量。映画などに利用
Blu-ray	約25GB〜	DVDよりさらに大容量。高画質映像向け

5-4. USBメモリ／SDカード

フラッシュメモリを使った小型の記憶装置です。持ち運びしやすく、パソコンやスマートフォンのデータの受け渡しによく使われます。

5-5. 磁気テープ

大量のデータを長期間保管するのに使われるテープ状の記憶媒体です。アクセスは遅い（先頭から順番に読む必要がある）ものの、非常に安価で大容量なため、企業のバックアップ用途で現在も使われています。

💡 試験ポイント： 磁気テープはシーケンシャルアクセス（順次アクセス）の代表例です。一方、HDDやSSDはランダムアクセス（どの場所にも直接アクセスできる）です。

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6. RAID（レイド）— 複数のディスクを組み合わせる技術

レベル	仕組み	メリット
RAID 0（ストライピング）	データを複数のディスクに分散して書き込む	読み書きが高速になる（ただし1台壊れると全データ消失）
RAID 1（ミラーリング）	同じデータを2台のディスクに書き込む	1台が壊れてもデータが残る（容量は半分になる）
RAID 5	データとパリティ（復元用情報）を分散配置	1台壊れても復元可能。容量効率もまずまず

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7. 覚えておきたいキーワード集

アクセス方式

• ランダムアクセス：目的のデータに直接アクセスできる（例：RAM、HDD、SSD）
• シーケンシャルアクセス：先頭から順番にたどる必要がある（例：磁気テープ）

揮発性と不揮発性

• 揮発性メモリ：電源OFFでデータが消える（例：DRAM、SRAM）
• 不揮発性メモリ：電源OFFでもデータが残る（例：ROM、フラッシュメモリ、HDD、SSD）

実効アクセス時間の計算

試験では「キャッシュのヒット率」を使った計算問題がよく出ます。

実効アクセス時間 ＝ ヒット率 × キャッシュアクセス時間
　　　　　　　　＋ （1 − ヒット率）× 主記憶アクセス時間

例題： キャッシュのアクセス時間が10ナノ秒、主記憶のアクセス時間が80ナノ秒、ヒット率が90%のとき

実効アクセス時間 ＝ 0.9 × 10 ＋ 0.1 × 80 ＝ 9 ＋ 8 ＝ 17ナノ秒

キャッシュがなければ毎回80ナノ秒かかるところが、17ナノ秒まで短縮されます。キャッシュの効果は絶大ですね。

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まとめ — 記憶装置の全体像

記憶装置	速度	容量	揮発性	身近なたとえ
レジスタ	★★★★★	極小	揮発	手に持った紙
キャッシュ（SRAM）	★★★★☆	小	揮発	机の上の資料
メインメモリ（DRAM）	★★★☆☆	中	揮発	引き出し
SSD	★★☆☆☆	大	不揮発	整理棚
HDD	★☆☆☆☆	大	不揮発	倉庫
光ディスク	★☆☆☆☆	中	不揮発	アルバム
磁気テープ	☆☆☆☆☆	極大	不揮発	書庫の奥の保管庫

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