キャッシュメモリとコンピュータ・アーキテクチャ

ショートカット: 違い、類似点、ジャカード類似性係数、参考文献。

キャッシュメモリとコンピュータ・アーキテクチャの違い

キャッシュメモリ vs. コンピュータ・アーキテクチャ

ャッシュメモリ は、CPUなど処理装置がデータや命令などの情報を取得/更新する際に主記憶装置やバスなどの遅延／低帯域を隠蔽し、処理装置と記憶装置の性能差を埋めるために用いる高速小容量メモリのことである。略してキャッシュとも呼ぶ。コンピュータは以前から記憶装置や伝送路の性能が処理装置の性能に追いつけず、この差が全体性能に対するボトルネックとされてきた（ノイマンズ・ボトルネック）。そしてムーアの法則に基づく処理装置の加速度的な高性能化により現在ではますますこの差が拡大されている。キャッシュメモリは、記憶階層の観点からこれを解消しようとするものである。 主に、主記憶装置とCPUなど処理装置との間に構成される。この場合、処理装置がアクセスしたいデータやそのアドレス、状態、設定など属性情報をコピーし保持することで、本来アクセスすべき記憶装置に代わってデータを入出力する。通常はキャッシュメモリが自動的にデータ保存や主記憶装置の代替を行うため、基本的にCPUのプログラムなど処理装置側がキャッシュメモリを意識する必要はない。 キャッシュの一般的な概念はキャッシュ (コンピュータシステム)を参照のこと。. ンピュータ・アーキテクチャ（computer architecture）は、コンピュータ（特にハードウェア）における基本設計や設計思想などを意味する。アーキテクチャ（建築）には、単に「建築物」以外に、設計や様式という意味があるが、それから転じて、コンピュータ分野においても使われるようになった。「設計思想」などと意訳されることもある。技術者や研究者の用語としては（企業ごとの用語の違いにもよるが）「方式」という語が使われることもある。 1964年のSystem/360で最初に使われた用語で、その際の意味としては、入出力インタフェースを含むコンピュータシステムのハードウェア全体（周辺機器自体は含まない）の、ユーザー（プログラマ、OSを設計するプログラマも含む）から見たインタフェースの定義であり、具体的には使用できるレジスタの構成、命令セット、入出力（チャネルコントロールワード）などであり、実装は含まない。このアーキテクチャが同一のコンピュータ間や、上位互換のアーキテクチャを持つコンピュータへの移行や、上位互換の周辺機器への移行などは、ソフトウェアの互換性が原則として保証される。またハードウェアの内部設計や実装は、定義されたアーキテクチャを守る限り、技術の進歩に応じて自由に更新できる。この結果、コンピュータ・ファミリー（シリーズ）が形成可能となる。現在で言えばレイヤー定義であり仮想化の一種でもある。 また、システムアーキテクチャ、エンタープライズアーキテクチャ、ソフトウェアアーキテクチャ、ARMアーキテクチャなどの用語も増えている。.

仮想記憶

仮想記憶（かそうきおく、Virtual Memory、バーチャルメモリ）とは、コンピュータ分野におけるメモリ管理の仮想化技法の一種であり、オペレーティングシステムなどが物理的なメモリを、アプリケーション・ソフトウェア（プロセスなど）に対して、専用の連続した主記憶装置に見えるように提供する。 この技術により、物理的な主記憶装置に加えてハードディスク装置等の補助記憶装置を併用すれば、物理的な主記憶装置よりも大きな仮想メモリを提供する事ができる。またアプリケーション・プログラム側は、物理メモリ上のアドレスを意識しなくて良いため、マルチタスクの実現が容易である。このため現代のオペレーティングシステムの多くが仮想記憶をサポートしている。 仮想的に与えられたアドレスを仮想アドレス (virtual address) または論理アドレス (logical address)、実記憶上で有効なアドレスを物理アドレス (physical address) または実アドレス (real address) という。仮想アドレスの範囲を仮想アドレス空間、物理アドレスの範囲を物理アドレス空間という。.

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ハーバード・アーキテクチャ

ハーバード・アーキテクチャの図 ハーバード・アーキテクチャとは、命令用とデータ用に物理的に分割された記憶装置と信号通路を持ち、命令用とデータ用で主記憶のアドレス空間が分かれているコンピュータ・アーキテクチャのことで、ノイマン型アーキテクチャと対比される。.

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バス (コンピュータ)

バス とは、コンピュータの内外、各回路がデータを交換するための共通の経路を指すコンピュータ用語である。.

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レジスタ・ウィンドウ

レジスタウィンドウとは、コンピュータのCPUの一般的な動作であるプロシージャコールの性能を向上させる技法である。 この問題にハードウェアをつぎ込むことによってほとんど全てのコンピュータプログラムが高速に動作するようになる。 これはバークレーRISCの設計上の特長のひとつであり、後にSPARC、AMD 29000、Intel i960で商用化された。 多くのCPUの設計では、レジスタと呼ばれる小規模な超高速メモリを持っている。 レジスタは、長い命令列を実行中にCPUが一時的に値を保持しておくのに使われる。 レジスタが多ければ性能が向上するが、レジスタというのはCPUの命令セットと密接な関係がある。 一度CPUをリリースしてしまったら簡単にはレジスタを増やしたり出来ない。 レジスタは万能の性能向上策であるが、問題もある。 コンピュータプログラムの別々の箇所はそれぞれ一時的な値を持っているため、レジスタの使用が競合してしまう。 プログラムが実行時にどう動くかをよく理解することは困難である。 開発者が実際に開発中に、自分が書いているコードがどれだけレジスタを使ったらよいか、どれだけをプログラムの他の部分のために残しておいたらよいかを決めるのは容易ではない。 一般にそのような考慮は無視され、開発者あるいは彼らが使うコンパイラは見えている全てのレジスタを使うものである。 ここにレジスタウィンドウの使い道が出てくる。 プログラムの各部はそこだけで使えるレジスタを必要とするので、プログラムの各部分ごとにレジスタのセットを提供することに意味が出てくる。もちろん、レジスタのセット以外のレジスタもプログラムのある部分から見えるなら、それも使われてしまうだろう。 ここでのトリックはあるレジスタセット以外のレジスタを見えなくしてしまうことにある。 これは何か複雑なことのように聞こえるかもしれないが、実際は単純である。 プログラムのある部分から別の部分へプロシージャコールで移動するとCPUは簡単にそれを検知できる。一般にプロシージャコールはいくつかの決まった命令列で構成され、元に戻るときも決まった命令列を使う。 バークレーの設計では、プロシージャコールの命令列によって新たなレジスタセットがそれまでのレジスタセットと入れ替えられる。 また、プロシージャから元の場所に戻るときは、それまで使っていたレジスタセットに"dead"(あるいは"reusable")という印をつける。 バークレーRISCの設計では、全部で64本あるレジスタのうち 8本がプログラムから見えるようになっている。 レジスタ全体のことをレジスタファイルと呼び、8本のレジスタのことをウィンドウと呼ぶ。 このレジスタファイルによれば、最大で8レベルのプロシージャコールがレジスタファイル内で実行可能である。 プログラムが8レベル以上の深さでプロシージャをコールしない限りレジスタがあふれる(つまり主記憶かキャッシュに追い出される)ことはない。レジスタがあふれたときの処理はかなり時間を要する。 ほとんどのプログラムは6レベルまでの深さの範囲内で処理を行う。 比較のためサン・マイクロシステムズのSPARCアーキテクチャを説明する。 こちらの場合、8本のレジスタのセットが4個同時に見えるようになっている。 そのうち3セットがウィンドウとなっている。.

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キャッシュ (コンピュータシステム)

ャッシュ (cache) は、CPUのバスやネットワークなど様々な情報伝達経路において、ある領域から他の領域へ情報を転送する際、その転送遅延を極力隠蔽し転送効率を向上するために考案された記憶階層の実現手段である。実装するシステムに応じてハードウェア・ソフトウェア双方の形態がある（今後コンピュータのプログラムなども含め全ての転送すべき情報をデータと表す）。 キャッシュ概要図 転送元と転送先の中間に位置し、データ内容の一部とその参照を保持する。データ転送元への転送要求があり、それへの参照が既にキャッシュに格納されていた場合は、元データからの転送は行わずキャッシュが転送を代行する（この状態をキャッシュヒット、キャッシュに所望のデータが存在せず元データから転送する状態をキャッシュミスという。なお、由来は不明で和製英語と思われるが日本の一部の文献及び資格試験において「キャッシュミスヒット」という用語が使われている）。もしくは出力データをある程度滞留させ、データ粒度を高める機能を持つ。これらによりデータの2種の局所性、すなわち時間的局所性と空間的局所性を活用し、データ転送の冗長性やオーバヘッドを低減させることで転送効率を向上させる。 コンピュータの各記憶領域を始めとして、ネットワークやデータベース、GPU、DSPなど様々なシステムの様々な階層に搭載されている。.

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スループット

ループット（）は、一般に単位時間当たりの処理能力のこと。特に.

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CISC

CISC（しすく、Complex Instruction Set Computer）は、コンピュータの命令セットアーキテクチャ(ISA)の設計の方向性の一つである。単純な命令を指向したRISCが考案されたときに、対比して（レトロニム）従来のISAは複雑であるとして、"Complex" の語を用いた "CISC" と呼ばれる様になった。典型的なCISCのISAはしばしば、単一の命令で複数の処理を行う、可変長命令である、直交性がある、演算命令のオペランドにメモリを指定できる、などで特徴づけられる。 CISCを採用したプロセッサ(CPU)をCISCプロセッサと呼ぶ。CISCプロセッサに分類されるプロセッサとしては、マイクロプログラム方式を採用したSystem/360、PDP-11、VAXなどや、マイクロプロセッサの680x0、x86などがある。.

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CPU

Intel Core 2 Duo E6600) CPU（シーピーユー、Central Processing Unit）、中央処理装置（ちゅうおうしょりそうち）は、コンピュータにおける中心的な処理装置（プロセッサ）。 「CPU」と「プロセッサ」と「マイクロプロセッサ」という語は、ほぼ同義語として使われる場合も多いが、厳密には以下に述べるように若干の範囲の違いがある。大規模集積回路（LSI）の発達により1個ないしごく少数のチップに全機能が集積されたマイクロプロセッサが誕生する以前は、多数の（小規模）集積回路（さらにそれ以前はディスクリート）から成る巨大な電子回路がプロセッサであり、CPUであった。大型汎用機を指す「メインフレーム」という語は、もともとは多数の架（フレーム）から成る大型汎用機システムにおいてCPUの収まる主要部（メイン）、という所から来ている。また、パーソナルコンピュータ全体をシステムとして見た時、例えば電源部が制御用に内蔵するワンチップマイコン（マイクロコントローラ）は、システム全体として見た場合には「CPU」ではない。.

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記憶装置

GB SDRAM。一次記憶装置の例 GB ハードディスクドライブ(HDD)。コンピュータに接続すると二次記憶装置として機能する SDLT テープカートリッジ。オフライン・ストレージの例。自動テープライブラリで使う場合は、三次記憶装置に分類される 記憶装置（きおくそうち）は、コンピュータが処理すべきデジタルデータをある期間保持するのに使う、部品、装置、電子媒体の総称。「記憶」という語の一般的な意味にも対応する英語としてはメモリ（memory）である。記憶装置は「情報の記憶」を行う。他に「記憶装置」に相当する英語としてはストレージ デバイス（Storage Device）というものもある。.

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RISC

RISC（りすく、Reduced Instruction Set Computer、縮小命令セットコンピュータ）は、コンピュータの命令セットアーキテクチャ(ISA)の設計手法の一つで、命令の種類を減らし、回路を単純化して演算速度の向上を図るものである。なお、RISCが提唱されたときに、従来の設計手法に基づくアーキテクチャは対義語としてCISCと呼ばれるようになった。 RISCを採用したプロセッサ (CPU) をRISCプロセッサと呼ぶ。RISCプロセッサの例として、ARM、MIPS、POWER、SPARCなどが知られる。.

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