メモリ キャッシュはどのようにコンピュータの処理を高速化しますか?

高速データ記憶装置であるキャッシュは、マイクロプロセッサが最も頻繁に使用するデータを記憶する場所です。 食事をするときに台所用品をキッチンテーブルに置くのと同じように、コンピューターは特定のアプリケーションで使用するために必要なデータをキャッシュに置きます。 さまざまなデータを大量に使用する必要がある新しいアプリケーションが発生した場合、マイクロプロセッサは新しいデータをキャッシュ メモリに取り込み、このデータを必要とするタスクをより効率的に実行できるようにします。

コンピューターのメモリは階層的に設計されています。 階層の各モジュールは、特定の種類のメモリ モジュールからのデータにアクセスするのにかかる時間に応じて分類されます。 マイクロプロセッサがキャッシュ メモリからデータにアクセスするのにかかる時間は最小限です。 メイン メモリは、DRAM メモリ チップで構築されることがほとんどですが、キャッシュ メモリよりもデータへのアクセスに時間がかかります。 フラッシュ メモリ チップで構築されたフラッシュ メモリにはさらに時間がかかりますが、仮想メモリと呼ばれることが多いディスク ドライブ上のデータには最も時間がかかります。

プロセッサのクロック速度によって、プロセッサが命令を実行できる最大速度が決まります。 キャッシュ メモリ チップは、マイクロプロセッサが使用できる速度で命令やデータを配信するように設計されているため、マイクロプロセッサがフルスピードで動作することができます。 命令とデータがメイン メモリやディスク ドライブ メモリではなくキャッシュにある場合、プロセッサは指定された最大プロセッサ クロック速度で実行できます。

すべてのコンピューターは、最も頻繁に使用されるデータと命令に可能な限り最速の方法でアクセスできるように、データと命令を保存するメモリ管理アルゴリズムを使用しています。 コンピュータにキャッシュ メモリがある場合、マイクロプロセッサは最も頻繁に呼び出すデータと命令を高速キャッシュ メモリに置きます。 マイクロプロセッサのメモリ キャッシュ アルゴリズムは、どのデータと命令が最も頻繁に使用されるかを判断するために使用するデータ ビットでデータと命令にタグを付けます。 また、キャッシュ アルゴリズムは、頻繁に使用されなくなったキャッシュから低速のメイン メモリにデータと命令を転送します。

高速キャッシュ メモリのサイズは、コンピュータの速度がどの程度向上するかを決定する重要な要素です。 非常に大きなキャッシュは高速メモリにより多くのデータを保存できるため、小さなキャッシュよりもコンピュータの処理速度が大幅に向上します。 ただし、利益が逓減する点があります。ある時点で、キャッシュを大規模にしても、キャッシュ メモリの高価格を相殺できるほどの処理速度の向上が得られなくなります。