キャッシュメモリとは？

キャッシュメモリの意味

CPUと主記憶の速度差を埋めるための高速小容量メモリ。参照の局所性を利用して、よく使うデータを手元に置く。実効アクセス時間＝ヒット率×キャッシュのアクセス時間＋(1−ヒット率)×主記憶のアクセス時間。

キャッシュメモリの具体例

キャッシュ10ナノ秒・主記憶100ナノ秒・ヒット率0.9なら、実効アクセス時間＝0.9×10＋0.1×100＝19ナノ秒。1次・2次と多段にする場合、全体のミス率は各段のミス率の積になる（全体のヒット率はその余事象）。

キャッシュメモリは試験でどう引っ掛けられる？

ライトスルーは書込み時にキャッシュと主記憶を同時更新、ライトバックは追い出し時にまとめて書き戻す。ライトバックの方が高速だが整合性管理が複雑。

キャッシュメモリと関連する用語

• メモリインタリーブ

キャッシュメモリが出た過去問

• 4ブロックのキャッシュメモリC0〜C3が表に示す状態である。ここで，新たに別のブロックの内容をキャッシュメモリにロードする必要が生じたとき，C2のブロックを置換…

  正解：LRU

  要点：LRUは最終参照が最古、FIFOはロードが最古を追い出す

  C2は最終参照時刻が0:05で4つの中で最も古く、最後に使われてから最も長く放置されている。最長未使用のブロックを追い出すのはLRUである。FIFOならロード時刻が最も古いC0、LIFOなら最も新しいC3、LFUなら参照回数が最少のC1が対象になる。

  出典：平成29年度 春期 高度共通_午前I試験 am1 問6（IPA）

• SRAMと比較した場合のDRAMの特徴はどれか。

  正解：メモリセル構成が単純なので、ビット当たりの単価が安くなる。

  要点：DRAMは構造が単純で安価・大容量だがリフレッシュが必要

  DRAMのメモリセルは1個のトランジスタとコンデンサという単純な構成で、集積度を高めやすく大容量化しやすいため、ビット単価がSRAMより安い。その代わりコンデンサの電荷が抜けるので定期的なリフレッシュが必要で、アクセス速度はSRAMに劣る。したがって主記憶にはDRAM、キャッシュメモリには高速なSRAMが使われる。

  出典：令和2年度 10月 高度共通_午前I試験 am1 問7（IPA）

• キャッシュメモリへの書込み動作には、ライトスルー方式とライトバック方式がある。それぞれの特徴のうち、適切なものはどれか。

  正解：ライトスルー方式では、データをキャッシュメモリと主記憶の両方に同時に書き込むので、主記憶の内容は常に最新である。

  要点：ライトスルーは主記憶も同時更新、ライトバックは追い出し時に書戻し

  ライトスルー方式は、書込み時にキャッシュメモリと主記憶の両方へ同時に書くため、主記憶の内容が常に最新に保たれる。その代わり主記憶への書込みが毎回発生するので書込み性能は上がりにくい。ライトバック方式はいったんキャッシュだけに書き、追い出し時にまとめて主記憶へ書き戻すので高速だが、書き戻しの管理が必要になる。

  出典：令和3年度 春期 高度共通_午前I試験 am1 問4（IPA）

• キャッシュメモリのアクセス時間が主記憶のアクセス時間の1/30で、ヒット率が95%のとき、実効メモリアクセス時間は、主記憶のアクセス時間の約何倍になるか。

  正解：0.08

  要点：実効アクセス時間はヒット時とミス時をヒット率で加重平均する

  実効アクセス時間は、ヒット時とミス時の所要時間をそれぞれの確率で重み付けした平均である。主記憶のアクセス時間を1とすると、0.95×(1/30)＋0.05×1＝0.0317＋0.05＝0.082となり、約0.08倍である。

  出典：令和6年度 秋期 高度共通_午前I試験 am1 問4（IPA）

• 4ブロックのキャッシュメモリC0〜C3が表に示す状態である。ここで、新たに別のブロックの内容をキャッシュメモリにロードする必要が生じたとき、C2のブロックを置換…

  正解：LRU

  要点：LRUは最終参照時刻が最も古いブロックを置き換える

  LRU（Least Recently Used）は最終参照時刻が最も古いブロックを追い出す方式である。表の最終参照時刻はC0が0:08、C1が0:06、C2が0:05、C3が0:10なので、最も古いC2が置換対象になる。

  出典：令和7年度 秋期 高度共通_午前I試験 am1 問6（IPA）