基本情報技術者 2016年 春期 午前（科目A） 問11

キャッシュメモリの効果【午前解説】

正解の理由

解法ステップ

1. 各選択肢が述べている動作を「キャッシュの本質（コピー保持・高速供給）」に照らして確認する。
2. 「命令のデコードや実行をキャッシュが担う」「並列処理を実現する」など誤った役割を示す選択肢を除外する。
3. 「主記憶から読み出したデータを保持し、後続の同一データ参照を高速化する」記述を含む選択肢を正解とする。

選択肢別の誤答解説

• ア：主記憶から命令読み出しとデータ読み出しを同時に行うことで高速化、という説明はキャッシュの効果ではなく、パイプラインやバス幅・コントローラ設計の話であり誤り。キャッシュはあくまでコピー保持と高速参照の仕組み。
• イ：正しい。主記憶から読み出したデータをキャッシュに保持し、CPUが後で同じデータを読み出す際に高速に供給する、これがキャッシュの典型的な効果。
• ウ：主記憶から読み出したデータ保持と「命令を並列に処理することによって演算を高速に行う」は因果が逆・別機能であり誤り。命令並列化はCPU内部の実行ユニットやスケジューラの仕事で、キャッシュ自体が並列化を行うわけではない。
• エ：命令をキャッシュで「デコードして実行する」という記述は誤り。キャッシュはデコードや実行を行う処理装置ではなく、データや命令の高速コピー保管領域に過ぎない。

よくある誤解

• キャッシュは命令を「キャッシュ上で実行する」わけではない：キャッシュはデータや命令のコピーを保持するだけで、実行はCPUコアで行われます。
• キャッシュがプログラムを並列化するわけではない：キャッシュは並列処理や命令の並列実行（パイプラインやスーパースカラ）を直接生み出す機構ではありません。
• キャッシュ＝バスの同時転送装置ではない：キャッシュはデータ配置とヒットで高速化するが、主記憶から同時に複数転送することを本質とはしません。

補足コラム

• 基本式：平均メモリアクセス時間（AMAT）は一般に $AMAT=T_{cache}+MissRate\times T_{miss}$ と表され、ヒット率を改善するとAMATが下がります。
• キャッシュ構成：L1（コア近傍、高速小容量）、L2/L3（共有・中容量）といった階層を持ち、命令キャッシュ（I-cache）とデータキャッシュ（D-cache）を分離する設計も一般的です。
• 書込みポリシー：write-through（書込み時にすぐ主記憶へ反映）とwrite-back（まずキャッシュに書き、追い出し時に主記憶へ書く）で性能と一貫性に差があります。
• 性能要因：ヒット率、ブロックサイズ、連想度（アソシアティビティ）、置換アルゴリズム（LRUなど）が実効性能に大きく影響します。

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