Virtual Address

2025年10月14日

Virtual Address

英語表記: Virtual Address

概要

仮想アドレスは、プログラムがメモリを参照する際に利用する、論理的かつ抽象化されたアドレスのことです。これは、実際にデータが格納されている主記憶装置（RAM）上の具体的な場所を示す「物理アドレス」とは区別されます。CPUは、この仮想アドレスをアドレスバスに乗せて出力しますが、バス構造の文脈において非常に重要なのは、この論理的なアドレスが「MMU（メモリ管理ユニット）」というハードウェアを経由して、物理アドレスに変換されて初めてメモリチップに届くという点です。この仕組みにより、複数のプログラムが安全かつ効率的にメモリを利用できるようになっているのです。

詳細解説

目的と背景

現代のコンピュータは、OS（オペレーティングシステム）の制御下で、複数のプログラム（プロセス）を同時に実行しています（マルチタスク）。もし各プログラムが物理アドレスを直接扱ってしまった場合、あるプログラムが誤って他のプログラムが使用中の領域を破壊してしまう危険性が生じます。

仮想アドレスシステムの最大の目的は、この危険性を回避し、メモリの保護と効率的なメモリの利用を実現することにあります。各プログラムは、他から隔離された、自分専用の広大なメモリ空間を持っているかのように振る舞うことができます。これを「仮想記憶空間」と呼びます。

動作原理：MMUとアドレスバス

仮想アドレスが機能する上で中心的な役割を担うのが、MMU (Memory Management Unit：メモリ管理ユニット) です。MMUは通常、CPUに内蔵されているか、非常に近接した場所に配置されています。

このシステムにおける「アドレスバス」の役割を追ってみましょう。

仮想アドレスの生成と出力: プログラムがデータを読み書きしようとすると、CPUはそのデータがどこにあるかを仮想アドレスとして特定し、このアドレス情報をアドレスバスを通じて出力します。
MMUによる捕捉: アドレスバスを流れるこの仮想アドレスは、まずMMUによって捕捉されます。
アドレス変換: MMUは、OSが管理している「ページテーブル」や「セグメントテーブル」と呼ばれる対応表を参照します。このテーブルには、「この仮想アドレスは、物理メモリのこの番地に該当する」というマッピング情報が記録されています。
物理アドレスの再出力: MMUは変換後の物理アドレスを生成し、これを改めてアドレスバスに乗せて主記憶装置（RAM）に向けて送信します。

このように、アドレスバスは単にCPUとメモリを繋ぐ配線ではなく、高度なメモリ管理システムの中継点として機能していることが分かります。CPUが出力する論理的な情報（仮想アドレス）を、MMUという変換装置を介して、物理的な場所を示す情報（物理アドレス）へと切り替える役割を担っているわけです。この変換処理は非常に高速に行われるため、ユーザーは処理遅延をほとんど感じません。

ページング方式

現在のほとんどのOSは、仮想アドレスと物理アドレスの変換に「ページング方式」を採用しています。これは、メモリ空間を固定サイズのブロックに分割して管理する方式です。

ページ (Page): 仮想記憶空間を分割したブロック。
フレーム (Frame): 物理記憶空間を分割したブロック。

ページング方式では、仮想ページ番号に対応する物理フレーム番号をページテーブルから探し出すことで変換を行います。この方式の素晴らしい点は、物理メモリが飛び飛びに（断片化して）空いていても、プログラムに対しては連続した仮想アドレス空間を提供できることです。これにより、メモリの利用効率が格段に向上します。

具体例・活用シーン

仮想アドレスの概念は、私たちが日常的にコンピュータを安定して利用するための土台となっています。

マルチタスクの実現: 複数のアプリケーション（例えば、動画編集ソフトとメールソフト）を同時に起動しても、お互いのデータ領域を侵さないのは、それぞれが独立した仮想アドレス空間を持っているからです。これは、まるで「各アプリケーションが、自分専用の個室を与えられ、その個室の番地しか認識できない」ような状態です。MMUという警備員が、他の部屋（物理メモリの他の領域）へのアクセスを厳しくチェックしていると想像すると分かりやすいですね。
仮想記憶の実現: 物理メモリ（RAM）の容量が不足した場合でも、OSは使用頻度の低いデータを一時的にハードディスクやSSDなどの外部記憶装置に退避させることができます（スワッピングやページアウト）。プログラムは、そのデータがまだ仮想アドレス空間内のどこかに存在していると認識し続けます。これにより、物理メモリの容量を超えた巨大なプログラムでも実行可能になります。

アナロジー：集合住宅の住所管理

仮想アドレスと物理アドレスの関係は、巨大な集合住宅における部屋番号と実際の建物の位置関係に例えると、非常にしっくりきます。

プログラム（居住者）: 居住者は、自分に割り当てられた「部屋番号 101号室」（仮想アドレス）だけを認識しています。
管理会社（OSとMMU）: 建物全体を管理している管理会社が、実は「101号室」は「A棟の3階、西側の角部屋」（物理アドレス）に相当するという対応表を持っています。
アドレスバス（郵便配達員）: 郵便配達員は、居住者が指定した「101号室」という情報を受け取りますが、実際に荷物を届ける際は、管理会社に確認を取り、「A棟3階」という物理的な場所（変換後の物理アドレス）を特定してから配達します。

居住者（プログラム）は、管理会社（MMU）が裏でどのような複雑な部屋の配置換え（メモリの再配置）を行っても、「101号室」を指定し続けるだけで済みます。アドレスバスは、この変換後の正確な物理的な場所を示す情報（物理アドレス）を、迷うことなくターゲット（メモリ）に届ける役割を果たしているのです。この抽象化こそが、現代のコンピュータシステムの柔軟性と堅牢性を支えているのですね。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験から応用情報技術者試験まで、仮想記憶とアドレス変換の仕組みは、コンピュータ構成要素における最重要テーマの一つです。

基本用語の定義: 「仮想アドレス（論理アドレス）」はプログラムが使用するアドレス、「物理アドレス」は実際にメモリチップを指すアドレス、という区別を確実に行ってください。
MMUの機能: MMU（メモリ管理ユニット）が、仮想アドレスを物理アドレスに変換する専用のハードウェアである、という点を理解してください。特に、MMUが変換表（ページテーブル）を参照する動作は頻繁に出題されます。
ページング方式の理解: 仮想記憶を実現する主流な方式であり、「ページ」と「フレーム」の対応付けによって変換が行われることを把握しましょう。ページイン、ページアウトといったスワッピングの概念もセットで問われます。
アドレスバスとの関連性: CPUからアドレスバスに出力された仮想アドレスが、MMUで変換され、物理アドレスとして再びアドレスバスを通じてメモリに送られる、という一連の流れを、バス構造の観点から説明できるように準備しておくと完璧です。
メモリ保護の重要性: 仮想アドレスシステムが、マルチタスク環境下でのプロセス間のメモリ領域の分離と保護を実現している、という目的論的な理解も重要です。