アドレス空間
英語表記: Address Space
概要
アドレス空間とは、CPUがアクセス可能なすべての記憶装置（メインメモリや周辺機器のレジスタなど）に対して割り当てられた、一意な「住所」（アドレス）の集合全体を指します。これは、私たちが現在学んでいる「コンピュータの構成要素」を構成する「アドレスバス」の能力を具体的に示す概念です。アドレスバスが運べる最大の住所の範囲、つまりCPUが「どこまで」データを読み書きできるかを示す仮想的な「地図」だと考えると分かりやすいでしょう。アドレス空間の大きさは、アドレスバスの信号線の本数（ビット幅）によって数学的に決定されます。
詳細解説
アドレス空間は、コンピュータシステムにおける効率的なデータ転送と管理の基盤となる、非常に重要な概念です。特に「バス構造」の中の「アドレスバス」の文脈で考えるとき、アドレス空間はバスの物理的な限界と直結しています。
アドレスバスと容量の関係性
アドレス空間の大きさを決定づけるのは、アドレスバスの信号線の本数（ビット数）です。もしアドレスバスがN本の信号線で構成されている場合、CPUは $2^N$ 個の異なるアドレスを指定できます。この $2^N$ 個のアドレスが形成する「住所の範囲」こそがアドレス空間なのです。
例えば、アドレスバスが32ビットであれば、 $2^{32}$、つまり約4ギガ（4,294,967,296）個の異なる場所を指定できます。これは、32ビットシステムが最大で4GBの物理メモリ空間を扱えるという制約に直結します。この制約は、アドレス空間という概念が、コンピュータの性能や設計にどれほど深く関わっているかを示していますね。
バス構造におけるアドレス空間の役割
アドレス空間は、CPUがデータをやり取りする際に、データバスと制御バスと連携して機能します。この連携があるからこそ、コンピュータは正確に動作します。
- アドレスバスの役割: CPUは、アドレス空間の中から目的のメモリセルやI/Oデバイスの「住所」を選び出し、そのアドレスをアドレスバスに乗せて伝達します。
- 制御バスの役割: その住所に対して「読み込み」を行うのか「書き込み」を行うのか、操作の種類を制御バスを通じて伝えます。
- データバスの役割: 実際にやり取りされるデータ（情報）をデータバスが運びます。
アドレス空間の概念があるおかげで、CPUは、物理的に異なる複数のメモリチップや、様々な性質を持つI/Oデバイスを、重複のない一意な場所として認識し、適切に制御できるわけです。これは、コンピュータの「構成要素」間の連携において、最も基本的な土台を提供しているのです。
物理アドレス空間と仮想アドレス空間
アドレス空間という用語は、文脈によって二つの意味を持ちます。バス構造、特に物理的なアドレスバスの能力を論じるときは、「物理アドレス空間」が重要になります。
- 物理アドレス空間: 実際にコンピュータに搭載されている物理的なメモリやデバイスに対応するアドレスの範囲です。アドレスバスによって直接指定されるのは、この物理アドレスです。
- 仮想アドレス空間: 現代のOS（オペレーティングシステム）が、各プログラムに独立して割り当てる、見かけ上の巨大なメモリ空間です。プログラムはこの仮想アドレスを使用しますが、実際にメモリにアクセスする際には、CPU内のMMU（メモリ管理ユニット）がアドレスバスに乗せるための物理アドレスに変換します。
バス構造の視点から見ると、最終的にコンピュータのハードウェアがアクセスできる限界を決めているのは、アドレスバスのビット幅によって定められた物理アドレス空間の大きさである、という点をしっかり押さえておきましょう。
具体例・活用シーン
アドレス空間の概念は抽象的ですが、比喩を使うと格段に理解しやすくなります。
巨大な郵便局の私書箱のシステム（比喩）
アドレス空間を理解するために、CPUを「郵便局の配達員」、メモリや周辺機器を「巨大な私書箱の壁」だと想像してみてください。
- アドレス空間全体: この壁全体に割り振られた、すべての私書箱の番号（住所）の集合がアドレス空間です。
- アドレスバスの能力: 配達員（CPU）が持っている住所録（アドレスバスのビット幅）によって、アクセスできる私書箱の総数が決まります。もし配達員が32桁の番号までしか扱えないなら、33桁以上の番号の私書箱は、たとえ壁に存在していてもアクセスできません。これが、アドレスバスのビット幅がアドレス空間の最大容量を決定する理由です。
- メモリマップドI/O: 私書箱の壁には、手紙（データ）を入れるための普通の箱（メインメモリ）だけでなく、小包専用の大きな箱（ハードディスクのI/Oレジスタ）や、速達専用の小さな箱（グラフィックボードの制御レジスタ）なども混在しています。これらすべての箱に、アドレス空間内のユニークな番号が割り振られています。CPUは、通常のメモリへのアクセスと同じ方法で、これらの特殊な箱にもアクセスできるのです。統一されたアドレス空間のおかげで、CPUは様々なデバイスを区別なく、効率的に管理できるわけですね。
アドレスバスの進化とアドレス空間
アドレス空間の進化は、コンピュータの歴史そのものです。
- 16ビット時代: アドレスバスが16ビットの場合、アドレス空間はわずか64KBでした。初期のPCでは、この限られた空間でプログラムを動かすために、様々な工夫が必要でした。
- 32ビット時代: アドレスバスが32ビットに拡張され、アドレス空間は4GBまで拡大しました。これにより、大容量のメモリを搭載し、より複雑なOSやマルチタスクが可能になりました。
- 64ビット時代: 現在主流の64ビットアーキテクチャでは、理論上 $2^{64}$ バイトという広大なアドレス空間を持っています。これは実質的に無限に近い空間であり、メモリ容量の制約をほぼ解消しています。私たちが今、何十ギガバイトものメモリを搭載できるのは、このアドレス空間の拡大があったからこそなのです。
資格試験向けチェックポイント
IT資格試験、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、「アドレス空間」はコンピュータの基本原理を問う核となるテーマです。
- 容量計算問題は必須（基本情報技術者・応用情報技術者）
- 頻出パターン: 「アドレスバスがNビットである場合、最大でアクセスできるメモリ容量はいくらか？」
- 対策: $2^N$ バイトであることを即座に計算できるようにしましょう。特に、 $2^{10}$ がキロ（K）、 $2^{20}$ がメガ（M）、 $2^{30}$ がギガ（G）であることを利用した換算問題は高頻度で出題されます。例えば、「アドレスバスが24ビットの場合、 $2^{24} = 2^4 \times 2^{20} = 16$ MBである」といった計算は、すぐにできるように訓練してください。
