41-02.キャッシュメモリ

［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。

このページでは、キャッシュメモリを解説していきます。

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。

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。

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。

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。

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次キャッシュが最も速く、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次キャッシュが最も小さく、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。

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』