記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）とは？

記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）の意味

アクセス速度と容量・コストのトレードオフに基づき、記憶装置を階層的に配置する考え方。レジスタが最も高速・小容量、次いでキャッシュメモリ、主記憶（メインメモリ）、補助記憶（HDD・SSD）の順にアクセス速度が下がり容量が増える。

記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）の具体例

CPUは頻繁に使うデータをキャッシュメモリに保持しておくことで、低速な主記憶へのアクセス回数を減らし、全体の処理速度を向上させる（局所性の原理を利用）。

記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）は試験でどう引っ掛けられる？

「速いものほど高価で小容量」が原則で、容量の大小と速度の順序を逆にしない。主記憶はメインメモリを指し、SSDやHDDの補助記憶ではない。補助記憶を主記憶の一部のように見せる仮想記憶は、階層そのものとは別の技術。

記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）と関連する用語

• キャッシュメモリとヒット率
• 主記憶と補助記憶

記憶階層（レジスタ・キャッシュメモリ・主記憶・補助記憶）が出た過去問

• 主記憶のデータを図のように参照するアドレス指定方式はどれか。

  正解：間接アドレス指定

  要点：間接アドレス指定は指した先にアドレスが入る2段階参照

  命令のアドレス部が示す番地の中身が、実データそのものではなく次に参照すべき番地（ポインタ）になっている方式である。図では20番地を見ると25という値が入っており、その25番地に目的のデータがあるという2段階の参照になっているため、間接アドレス指定に該当する。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問9（IPA）

• 仮想記憶システムにおいて主記憶の容量が十分でない場合，プログラムの多重度を増加させるとシステムのオーバヘッドが増加し，アプリケーションのプロセッサ使用率が減少す…

  正解：スラッシング

  要点：スラッシングは実記憶不足でページ入替えに追われる状態

  実記憶が不足した状態で多重度を上げると、各プロセスが必要とするページを奪い合ってページの追い出しと読み込みが頻発する。その結果、本来の処理よりページ入替えの処理に時間が費やされ、アプリケーションのプロセッサ使用率が下がる。この現象をスラッシングと呼ぶ。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問17（IPA）

• マルチプログラミングにおけるプロセスの切替え手順を示した図において，OSの処理a～cとして，適切な組合せはどれか。

  正解：a:実行状態の退避　b:プロセスの選択　c:実行状態の回復

  要点：プロセス切替えは退避→次プロセス選択→回復の順

  プロセス切替え（コンテキストスイッチ）では、まず割込みで中断したプロセスのレジスタなどの実行状態を保存し、次にディスパッチャが次に動かすプロセスを選び、最後に選んだプロセスの実行状態を復元してCPUを渡す。退避→選択→回復の順序になる。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問18（IPA）

• メモリセルにフリップフロップ回路を利用したものはどれか。

  正解：SRAM

  要点：SRAMはフリップフロップ式でリフレッシュ不要。DRAMはコンデンサ式

  SRAMは1ビットを複数のトランジスタで構成したフリップフロップ回路で保持するため、電源が供給されている間はリフレッシュ動作が不要で高速に読み書きできる。その分ビットあたりの回路規模が大きく、大容量化やコスト面では不利で、主にキャッシュメモリに使われる。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問22（IPA）

• 数値を2進数で格納するレジスタがある。このレジスタに正の整数xを設定した後，“レジスタの値を2ビット左にシフトして，xを加える”操作を行うと，レジスタの値はxの…

  正解：5

  要点：nビット左シフトは2のn乗倍。4x+x=5x

  2進数を1ビット左へシフトすると値は2倍になるので、2ビット左シフトは2の2乗すなわち4倍を意味する。シフト後のレジスタには4xが入っており、そこに元の値xを加えるので4x+x=5xとなる。左シフトによる乗算と加算を組み合わせると、任意の定数倍をシフトと加算だけで実現できるという考え方の基本例である。

  出典：平成28年度 春期 基本情報技術者試験 午前 問1（IPA）