キャッシュとは？ ―― 機能と仕組みから使用上の注意まで：Q&Aで学ぶマイコン講座（32）（2/3 ページ）

マイコンユーザーのさまざまな疑問に対し、マイコンメーカーのエンジニアがお答えしていく本連載。今回は、中級者の方からよく質問される「キャッシュとは？」です。

[菅井賢（STマイクロエレクトロニクス），EDN Japan]

キャッシュとは

　メモリは構造上、大容量になるほどアクセス速度が遅くなるので、アクセスを速くするためには容量を小さくする必要があります。そこで、命令やデータを一時的に保管するための「小容量だが高速アクセス可能なメモリ」（これをキャッシュと呼びます）をCPUのすぐ近くに配置して、1回でもアクセスされた主メモリの内容をコピーしておきます。次に同じ内容がアクセスされた場合は、主メモリではなくキャッシュにアクセスします。主メモリとキャッシュの内容は同じですので、CPUから見ると、主メモリの内容に高速でアクセスできることになります。

　ただし、高速なのはキャッシュにコピーされている内容にアクセスする場合だけですので、その他の場合は、主メモリにアクセスしなければなりません。キャッシュのコピーにアクセスできる場合を「キャッシュにヒットした」と言います。また、コピーが存在しない場合は「ミスヒット」と言います。全体のアクセス中、ヒットする確率を「ヒット率」と言い、キャッシュの性能の指標になります。

　キャッシュは満杯になると、古い内容から、またはアクセス回数の少ない内容から消去して、新しい内容を入れます。このキャッシュの内容を入れ替える方式や内部構成によって、ヒット率が変わってきます。

キャッシュの種類

　キャッシュを、取り扱う内容（命令／データ／アドレス）で分類すると次のようになります。

1. 統合キャッシュ（図2）
   • 特に命令とデータを区別しないで取り扱うキャッシュです。ハーバードアーキテクチャでない場合（＝ノイマン型アーキテクチャ：von Neumann architecture）は必然的にこの方式になります。
2. ハーバードキャッシュ：命令用とデータ用で、2つのキャッシュを持つ方式です。（図3）
   1. 命令キャッシュ
      • 命令バス上で、命令だけを取り扱うキャッシュです。
   2. データキャッシュ
      • データバス上で、データだけを取り扱うキャッシュです。
3. ブランチキャッシュ（図4）
   • 命令キャッシュの中でも、ブランチ先の命令だけを取り扱うキャッシュです。キャッシュ以外にプリフェッチバッファも持っていて、この2つを組み合わせて、効率よくブランチする方式です。
4. ブランチターゲットアドレスキャッシュ（BTAC：Branch Target Address Cache）（図5）
   • ブランチ先のアドレス専用のキャッシュです。パイプライン処理のマイコンなどで、条件ブランチの際に、パイプライン障害を最小に抑えるために、ブランチ予測機能と併用します。

図2：統合キャッシュ （クリックで拡大）

図3：ハーバードキャッシュ （クリックで拡大）

図4：ブランチキャッシュ （クリックで拡大）

図5：ブランチターゲットアドレスキャッシュ（BTAC） （クリックで拡大）

　キャッシュの置かれる位置によって、CPUに近い順に1次キャッシュ、2次キャッシュのように呼びます。1次、2次をLevel 1、Level 2と称して、略号でL1キャッシュ、L2キャッシュと呼ぶこともあります。