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 図解 スマホのROMとRAMの関係/違い/役割 |
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 （イラストは「かわいいフリー素材 いらすとや」他より援用 Thanks !） ▲ スマホの ＣＰＵ のコアは働く人に例えられます。 ＲＯＭ はデータファイル及びプログラムファイルの保管庫に例えられ、 ＲＯＭ が大容量であれば多くのアプリプログラムファイルと多くのデータファイルを記憶することができます。 ＲＯＭ と呼称しているにも拘らず、データファイルとプログラムファイルは随時書き換えられています。 ＲＡＭ は作業机に例えられ、 ＲＡＭ が大容量であれば同時に多くのファイルを開くことができます。 ＲＡＭ が小容量の場合は、 症状１：アプリの起動に異様な時間がかかる 症状２：アプリの実行に異様な時間がかかる 症状３：データファイルを開くまでに異様な時間がかかる 症状４：「このアプリは応答していません」「終了する／待機する」の状態になってしまう 症状５：スマホがフリーズして無反応になってしまう 症状６：最悪 ＯＳ がシャットダウンしてしまう そこで見かけ上の ＲＡＭ を多くするために脇机を設置します。 例えば或る作業中に割込み作業が入った場合は、作業途中のデータファイルとプログラムファイルを保管庫へ戻すのではなく、 作業途中のファイルを脇机へ一時退避して作業机を空けます。 割込み作業終了後、一時退避した作業途中のファイルを脇机から作業机へ復帰して中断された作業を続行します。  この脇机をスワップＲＡＭ (スワップメモリ)と呼びます。スワップＲＡＭはＲＯＭの一部を拝借して利用します。 Motorola 社ではこの仕組みをＲＡＭブーストと呼んでいます。 スワップＲＡＭへ一時退避されたデータファイルとプログラムファイルは閲覧・編集も実行もできませんが、 タスクキル (アプリ終了) よりも作業の続行がスムーズに進むというメリットがあります。 ＣＰＵのコア数が多ければ同時に複数のアプリをスムーズに実行できます。 常に１コアが１タスクを分担するのではなく、状況により１コアが複数タスクを分担したり、 １タスクが複数コアを稼働させることがあります。 ＣＰＵのコアへのクロック周波数が高速なほど働く人の処理速度が速くなります。 但し処理速度と消費電力とはトレードオフの関係にあるので、賢いスマホはコアを使い分けています。 データファイルとプログラムファイルは保管庫から原本を持ち出すのではなく、コピーをとってＲＡＭに置きます。 このようにすると或るアプリが既に開いているデータファイルとかプログラムファイルを、別のアプリが同時に開くことができます。 以上は巷で良く見られる説明ですが、仕組みの本質を下に記します。  ▲ 先ず、ＲＡＭ (Randam Access Memory) の説明です。 ファイルという概念は無く、アドレスでアクセスします。 ＲＡＭ はＣＰＵが直接にアドレスを指定してピンポイントでアクセスできます。 ＲＡＭ は揮発性メモリーですのでスマホの電源を切ると内容は保持されません。 ＲＡＭ 内でフラグメントが発生してもページ単位であれば、 ＭＭＵ(Memory Management Unit) の論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換により正しくアクセスできます。 ＣＰＵはＲＡＭに記憶されたアプリのプログラムコードを実行でき、アプリが生成したデータを閲覧・編集できます。  ▲ 次に、ＲＯＭ (Read Only Memory) の説明です。 (イラストは https://www.pngwing.com/ja より援用) ランダムアクセス可能なメモリーであってもスマホ内のＲＯＭとかＰＣ内のＲＡＭディスクの如く ＵＦＳ(Universal Flash Storage)等のファイルシステム支配下に置かれるとＳＡＭ(Sequential Access Memory) として動作します。 ＳＡＭはアドレスという概念は無くファイル名でアクセスします。 ＳＡＭはＣＰＵが直接にアドレスを指定してピンポイントでアクセスできません。 ＳＡＭはファイルシステムの特性上随所にフラグメントが発生します。 ＳＡＭはファイルシステムの支配下にあってＭＭＵ(Memory Management Unit) の効力が及ばないので、 ＣＰＵはＳＡＭに記憶されたアプリのプログラムコードを実行できず、アプリが生成したデータを閲覧・編集もできません。 ■ ランダムアクセスとシーケンシャルアクセスの微妙なところ  ▲ 但し、「ＩＴパスポート試験」ではＨＤＤは「ランダムアクセスが可能」が正解なっています。 ランダムアクセスとシーケンシャルアクセスの用語の定義は状況によりかなり曖昧なところがあります。 状況１：新品のＨＤＤへファイルを記録するとクラスターは連続しているので、 このファイルを読む時はシーケンシャルアクセスとなり、 使い込んだＨＤＤへファイルを記録するとクラスターは離散しているので、 このファイルを読む時はランダムアクセスとなる。 状況２：クラスタを直接に指定できるので、クラスタ単位で見るとランダムアクセスである。 状況３：セクターを直接に指定できないので、セクター単位で見るとシーケンシャルアクセスである。 状況４：アドレスを直接に指定できないので、バイト単位で見るとシーケンシャルアクセスである。 従って、試験に出題された場合は出題者が期待する回答をするのが良いでしょう。  ▲ ＲＯＭ(ファイル空間)とＲＡＭ(メモリー空間)とＣＰＵの関係のまとめ。 ＲＯＭを支配するＵＦＳ等のファイルシステムは幾万というファイルを如何にＲＯＭに納めるかに専念するあまり、 それらファイルの実行可能形態とか閲覧・編集閲覧可能形態は保持されません。 状況１：ファイルの断片化。 状況２：ファイルシステムが支配するＳＡＭ (Sequential Access Memory) は ＣＰＵがピンポイントで指定したアドレスを直接アクセスできません。 この状況は MMU(Memory Management Unit) の論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換では対応できません。 ＣＰＵはＲＯＭに記憶されたアプリのプログラムコードを実行できず、アプリが生成したデータを閲覧・編集もできません。 それらファイルを実行・閲覧・編集するにはＣＰＵが直接支配するＲＡＭ(メモリー空間)へコピーして利用します。 ＲＡＭ 内でフラグメントが発生してもページ単位であれば、 ＭＭＵの論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換により正しくアクセスできます。 ＣＰＵはＲＡＭに記憶されたアプリのプログラムコードを実行でき、 アプリが生成したデータを閲覧・編集できます。 これがＲＯＭ(ストレージ)とＲＡＭ(メインメモリ)が棲み分けして役割分担する根本理由です。 ■ 他方、プリンターとかデジカメとか電子ピアノとかのスタンドアロン単能機の場合 ＲＯＭ上のプラグラムコードは連続固定していて、ファイル空間ではなくメモリー空間に配置されるので ＣＰＵは ＲＯＭ上のプログラムコードを直接読込んで命令を実行できます。 ＲＯＭからＲＡＭ へコピーしてから利用するという無駄な処理はしません。  ▲ 断片化の発生状況の模式図です。 ① スマホのＲＯＭはＰＣのＨＤＤに相当します。即ち不揮発性メモリーです。 日本ではＲＯＭと呼称していますが世界標準は Internal Memory Storage (内部ストレージ)です。 スマホのＲＯＭ内にはプログラムコードとデータ (文書.txt・画像.bmp・動画.mp4・音楽.mp3 等) が順次前詰めで記憶されます。 購入当初は隙間なく一本のファイル毎に連続して記憶されていますが、 ② プログラムファイル又はデータファイル(e.g. 画像ファイル)の削除・編集等をすると元有った場所は空き領域になります。 これを繰り返すとＲＯＭ内に虫食いのような空き領域が多数発生します。 ③ この虫食い状態のＲＯＭに新しいファイルを書くと空き領域を埋めるように順次前詰めで記憶されます。 その結果書込まれた一本のファイルは連続していない断片化(フラグメント)状態です。 ＲＯＭ内ではMMUの論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換で対応できません。 ④ そこで、アプリＡを起動するとＲＯＭ内の断片化されたプログラムコードと 閲覧・編集対象のデータ(.txt .bmp .doc .mp4 .mp3 等ファイル)を各々ＲＡＭへコピーします。 この時ＲＡＭ内でも断片化が起こり得ますが ＲＡＭ内ではMMU(Memory Management Unit) の論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換で対応できます。 但し、物理メモリの断片化はページ単位ならば MMUの論理(仮想)アドレス→物理アドレス変換で 吸収できますが、ページ内での断片化はMMUでは対応できません。  ▲ 画像データの断片化と復元（ＭＭＵが機能しない場合の模式図） 
 ▲ 参考として、ＰＣのＨＤＤの断片化(フラグメント)の様子です。 フラグメントとは断片化したクラスタにフラグを(旗)を立てることです。 フラグが立っているクラスタには離れた位置に連続したクラスタが有るという目印です。 デフラグメントとは旗の立っているクラスタを寄せ集めて一塊の連続した状態にすることです。 連続した状態になると旗を降ろします。 多くのデフラグメントソフトウェアは同時にガベージコレクションも実行されます。 1000GB のＨＤＤをデフラグメントするには約30分かかります。  ▲「キャッシュ」の思想。 (イラストは https://www.pngwing.com/ja より援用) Cache は現金をしまう所 Cash は現金そのもの  ▲ YouTube 初見時と再見時のデータフローです。 通常はキャッシュの読み書きはバックグラウンドで暗黙的に行われますが、 電波の届かない山の中でも使える登山地図 GPSアプリ「YAMAP」では明示的にキャッシュ操作が行われます。 元気良く弾んでいる AMU さんをご覧になれます →【AMU】千本桜 踊ってみた【坂道で】 |
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| スマホのクロックを遅くすると消費電力が減る理由 |
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 ▲ 巷で良く言われている“クロックを低速にすると消費電力が減少する”という説明を図示したものです。 ・ 確かに低速クロックでは消費電力が減少しているのはわかりますが、 残念ながら、どうして消費電力が減少するかの説明には成っていません。 ・ 巷で良く言われている“高負荷”とか“低負荷”という意味も、この図からでは釈然としません。  ▲ 単相クロックの立上りエッジ同期型デジタルシステムの消費電力のようすです。 ・ クロック同期型システムの場合は、クロックの立上りエッジで瞬間的に電力を消費します。 ・ 低速クロックの場合はクロックの立上りエッジの頻度が減少するので、結果的に電力を消費する頻度が減少します。 ・ この図ならば低速クロックで消費電力が減少する説明が付きます。“眼から鱗が落ちる”ことでしょう。 ・ どうしてクロックの立上りエッジで瞬間的に電力を消費するのかを下の図で説明します。  ▲ 最もシンプルな NOT ゲートです。 ・ この回路に次の三つの所望しない電流が流れます。 (1) Ｐ－ＭＯＳとＮ－ＭＯＳを貫通する電流（この下の図で説明します） (2) Ｃｓ（浮遊容量）を充電／放電する電流 (3) リーク電流（定常的に流れる漏れ電流）  ▲ ゲートの入力論理値が変化する時に流れる貫通電流とＣｓ充放電電流の説明図。 ・ ゲートの論理値が完全に“０”または“１”の場合は、 片側のＭＯＳは完全にＯＮ状態で、別のＭＯＳは完全にＯＦＦ状態です。 ＭＯＳが完全にオンまたはオフの場合は電力を消費しません。 ただし、定常なリーク電流による電力消費はあります。 ・ ゲートの論理値が“０”または“１”でない過渡状態の場合は、 両方のＭＯＳが能動動作状態になってしまいます。デジタル動作ではなくアナログ動作です。 この時に貫通電流が流れてしまいます。 メカスイッチに例えると「メイク ビフォア ブレーク」式です。 ・ 同時にＣｓ（浮遊容量）の充放電電流が流れます。 ・ 以上のことから、   ▲ 消費電力計算のオーソドックスな原理式です。 巷で“１秒間のクロック数[無名数]”を“周波数[/SEC]”で表記されている計算式を散見しますが、 そのような式の右辺は左辺のディメンジョン[W]＝[J/S]と合致しません。 物理式において右辺と左辺のディメンジョンが違う式は、何か重要な要素が欠落している可能性があります。 また、ディメンジョンの違う量の乗除算はできますが加減算はできません。 例えばＭＫＳ系において ２[Kg]＋３[Ｍ]＝？ のような演算はできません。 “周波数[/SEC]”で表された便宜式でも計算はできますが、物理事象の本質を理解するためには原理式を用いましょう。  ▲ ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）のＢＵＳＹ／ＲＥＡＤＹの状態遷移図です。 ・ グラフィック演算のために１クロックで積が得られるパラレル乗算器などをフル稼動させると、 膨大な数のゲートで論理値変化が起きて消費電力が増大します。 “高負荷”とか“高稼働率”とは、このような状態を指します。  ▲ ＳＯＣ（System On a Chip）のブロックダイアグラムの一例です。 ・ 消費電力制御は、停止させるブロックへのクロックの供給を停止する。・・・・・ 貫通電流を低減のため 〃 〃 電力の供給を停止する。・・・・・・・ リーク電流低減のため ・ Ｍａｉｎ - ＣＰＵ さえも停止させてしまうことができるＳＯＣがあります。 ■ 余談ですが、現役時代に8000ゲート規模のＬＳＩベーシックロジックをＴＴＬランダムロジックで動作検証したことがあります。 当時の半導体製造プロセスはサブミクロン以前の１μルールでした。 ■ Link：LSIの低消費電力設計 沖テクニカルレビュー PDF資料 低消費電力LSIを実現するSOIデバイス技術 沖テクニカルレビュー PDF資料 コンデンサ物語(５) 公益社団法人日本電気技術者協会 スマートフォンを支えるハードウェアプラットフォーム 富士通  |
