41-02.キャッシュメモリ

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[復習]記憶階層(主記憶/キャッシュメモリ/補助記憶)とは?

記憶装置は、『主記憶(メインメモリ)』『キャッシュメモリ』『補助記憶』の3つに分けられ、各記憶装置が役割を分担することを、記憶階層と呼びました。

用語説明
主記憶CPUが実行するデータを記憶する記憶装置
キャッシュメモリ主記憶のアクセス速度を補助する記憶装置
補助記憶主記憶の記憶容量と揮発性を補助する記憶装置

このページでは、キャッシュメモリを解説していきます。

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キャッシュメモリとは?

キャッシュメモリは、 CPU 内部に設けられた記憶装置です。主記憶と比較し、容量は小さいのですが、アクセス速度が速いことが特徴です。

必要なデータをキャッシュメモリに保存することで、CPUが低速な主記憶にアクセスせず、処理が可能です。つまり、実質的なコンピュータの処理速度を高速化できます。

したがって、キャッシュメモリは、主記憶のアクセス速度を補う記憶装置といえます。

キャッシュメモリの関連用語として、『SRAM』『1次/2次/3次キャッシュ』がITパスポートで出題されます。

SRAM(Static Random Access Memory)とは?

キャッシュメモリには、SRAM(Static Random Access Memory)という半導体メモリが用いられています。

●SRAMの特徴
特徴①:揮発性(電力供給が途絶えると、データが消失する)
特徴②:リフレッシュ(定期的な電力供給が不要)が不要

この2つの特徴を持つ理由は、SRAMが電力の供給時は状態を保持できる回路(フリップフロップ回路)を有するためです。しかし、この回路も電力の供給が途絶えると、状態を保持することができません。

この回路の特性から、SRAMは『①揮発性』、『②リフレッシュが不要』の特徴を持ちます。

[補足]DRAMとSRAM

DRAMは、動的な(Dynamic)RAM、一方、SRAMは、静的な(Static)RAMという意味です。この動的と静的は、電気(電荷)の動きが『あり』か『なし』と理解するとよいです。
※DRAM:主記憶(メインメモリ)に用いられる半導体メモリ

DRAMとSRAMについて、リフレッシュの必要と不要を合わせて整理しておきます。

・DRAM:主記憶
電気(電荷)が動くので、自然放電し、リフレッシュが必要
・SRAM:キャッシュメモリ
電気(電荷)が動かないので、自然放電せず、リフレッシュが不要

DRAMの詳細は、『41-01.主記憶(メインメモリ)』を確認しましょう。

[補足]RAMとは?

RAMとは、ランダムアクセスメモリ(Random Access Memory)の略称です。ランダムアクセスとは、記憶装置内のデータ保存位置と無関係に、データを読み書き可能という意味です。

このランダムアクセスの逆は、シーケンシャルアクセス(sequential access)といいます。

シーケンシャルアクセスは、データが並んだ順番のみで、読み込みができます。具体的には、ビデオテープやカセットテープ等がシーケンシャルアクセスのメモリです。

1次/2次/3次キャッシュとは?

キャッシュメモリは、CPU 内に複数存在します。これらを、 CPU のコアに近い方から1次キャッシュ、2次キャッシュ、3次キャッシュと呼びます。

1次キャッシュ、2次キャッシュ、3次キャッシュは、『CPUのコアからの距離』以外に、『CPUからのアクセス順序』『アクセス速度』『容量』に違いがあります。

CPUは、最初に1次キャッシュアクセスします。目的のデータがない場合は、2次キャッシュ、3次キャッシュとアクセスし、最終的に主記憶へアクセスします。

アクセス速度は、1次キャッシュ最も速く、2次キャッシュ、3次キャッシュ、主記憶となるにつれ遅くなります。容量は、1次キャッシュ最も小さく、2次キャッシュ、3次キャッシュ、主記憶となるにつれ大きくなります。

1次/2次/3次キャッシュの『CPUのコアからの距離』『CPUからのアクセス順序』『アクセス速度』『容量』の関係性は頻出です。しっかりと整理して理解しておきましょう。

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【まとめ】キャッシュメモリ

それでは最後におさらいをしておきましょう!

用語説明
キャッシュメモリ主記憶のアクセス速度を補助する記憶装置
SRAMキャッシュメモリに利用する半導体メモリ
特徴①:揮発性(電力供給が途絶えると、データが消失)
特徴②:リフレッシュ(定期的な電力供給)が不要が必要
※Static Random Access Memory
1次/2次/3次キャッシュ複数のキャッシュメモリがあるときコアに近い方から、1次・2次・3次キャッシュとい
↑『CPUコアに近い』『アクセスが先』『高速』『容量小』
・1次キャッシュ
・2次キャッシュ
・3次キャッシュ
↓『CPUコアに遠い』『アクセスが後』『低速』『容量大』
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ぽん之助

20代サラリーマン、前職4年間で20個以上の資格に合格。ホワイト企業に転職を成功。
実体験を元に資格や勉強、転職、キャリアアップ、副業について、『ぽんぱす』で発信しています。
【保有資格】ネットワークスペシャリスト、情報処理安全確保支援士、CCNP、電気通信主任技術者(伝送/線路)、工事担任者総合種、AWS(SAA)その他多数。

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