※ 本記事では、基本情報技術者試験の対策として私が勉強したことを備忘録的にまとめておきたいと思います。
少しでも参考になれば嬉しいです。
はじめに
さて今回は、基本情報技術者試験対策として、主記憶装置への書き込み方式の種類と基本原理についてまとめたいと思います。
皆さんは、スマホでアプリをサクサク動かす体験や、パソコンでサクッとファイルを開く瞬間を楽しんだことがあるかと思います。それらの一瞬の快適さには、主記憶装置へのデータ書き込み方式が大きな関与をしているのです。
中でも大切なのは、ライトスルー方式とライトバック方式です。これらの基本原理をしっかりとおさえ、違いを理解しておくようにしましょう。
ちなみに以前、読み込み時に重要なキャッシュやキャッシュメモリについてまとめました。そちらも是非ご覧ください！
読み込み時に重要とは言いましたが、キャッシュメモリはもちろん書き込みも必要です。そうじゃないとデータが保存されませんからね。読み込む物が無いようじゃ、何の強みも発揮できません。
そこで困るのが、キャッシュメモリと主記憶装置のデータの整合性についてです。キャッシュメモリに書き込んだらハイOKとはいきません。もちろんどこかのタイミングで主記憶装置へも書き込んであげないと、データの整合性が取れなくなってしまいます。
そこで大切な書き込み方式が、ライトスルー方式とライトバック方式というわけです。
それぞれ見ていきましょう！
ちなみに私はこの参考書を使って勉強してました。
漫画形式で読みやすく、分かりやすい内容になっているため、無理なく学習を進められると思います。
過去問を解きまくり、不明点があれば参考書で知識を補う、このサイクルで試験対策するのが私のオススメです！
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少し内容が異なる部分もあるかもしれませんが、大まかには変わらないはずですので、安心して下さい。
書き込み方式の基本理解
主記憶装置への書き込みとは何か？
主記憶装置への書き込みは、コンピュータの中心的な部分であるCPUがデータや命令を一時的に保存するプロセスを指します。
例えば、プログラムの実行中に新しい情報を格納したり、計算結果を保存したりといったように、主記憶装置への書き込み処理は頻繁に行われるわけです。
これは、CPUが情報を迅速に取得できるようにするためのもので、コンピュータのパフォーマンスと効率に大きく影響します。
主記憶装置への書き込みプロセス
簡単に、主記憶装置への書き込みプロセスも記載しておきます。
- Step1データの準備
CPUは、書き込む必要があるデータを準備します。これは、計算結果やユーザーからの入力など、さまざまなソースから来る可能性があります。
- Step2アドレスの指定
次に、CPUはデータを書き込むメモリのアドレスを指定します。これは通常、メモリ管理ユニット（MMU）によって行われます。
- Step3データの書き込み
最後に、CPUは指定されたアドレスにデータを書き込みます。これにより、データは後で取得するためにメモリに保存されます。
特に難しいことはありませんね。保存したいデータが用意され、保存する場所を決めた後、実際にデータが書き込まれていくだけです。
書き込みと読み取りの違い
コンピュータの主記憶装置は、データを一時的に保存する場所であり、そのデータは書き込みと読み取りの2つの基本的な操作によって管理されます。これらの操作は互いに密接に関連していますが、それぞれ異なる目的と機能を持っています。
- 書き込み：
書き込み操作は、新しいデータをメモリに保存するために使用されます。これは通常、新しい情報が得られたときや、計算が行われた後に行われます。書き込み操作は、データが必要なときにすぐに利用できるように、それをメモリ内の特定の場所に保存します。
- 読み取り：
読み取り操作は、以前にメモリに保存されたデータを取得するために使用されます。これは通常、CPUが特定の情報を必要とするときに行われます。読み取り操作は、メモリからデータを取得し、それをCPUが直接アクセスできる場所に移動します。
書き込みの重要性
主記憶装置への書き込みは、コンピュータが効率的に動作するために不可欠です。以下にその理由をいくつか挙げてみましょう。
- 高速なアクセス：
主記憶装置はCPUから非常に近いため、データへのアクセス速度が速いです。これにより、コンピュータは迅速に反応できます。
- 一時的な保存：
主記憶装置は一時的なデータストレージとして機能します。これにより、CPUは必要なときにすぐにデータを取得できます。
- 複雑な計算：
主記憶装置への書き込みと読み取りを使用して、CPUは複雑な計算を行うことができます。
書き込み速度が遅いと、アプリケーションのレスポンス時間が遅くなる可能性があります。データの正確な保存と高速な書き込みがシステム全体の性能向上に貢献します。
主記憶装置への書き込み方式の種類
ライトスルー方式
ライトスルー方式は、データが書き込まれると同時にメモリ内の対応するデータが更新される方式です。データがキャッシュメモリへ書き込まれた後、同じデータが即座に主記憶装置へも書き込まれます。
- Step1キャッシュへの書き込み
まず、CPUはデータをキャッシュメモリに書き込みます。これにより、次回同じデータが必要になったときに、CPUは高速にアクセスできます。
- Step2主記憶装置への書き込み
次に、同じデータが即座に主記憶装置にも書き込まれます。これにより、キャッシュと主記憶装置の間でデータの整合性が保たれます。
以下に、メリット・デメリットも挙げておきます。
★メリット
- データの整合性：
キャッシュと主記憶装置の間でデータの整合性が保たれます。
- シンプルな設計：
ライトスルー方式は比較的シンプルな設計で、実装が容易です。
★デメリット
- 書き込み速度：
主記憶装置への書き込み速度は通常、キャッシュへの書き込み速度よりも遅いです。
- バス帯域幅：
すべての書き込み操作が主記憶装置にも反映されるため、バス帯域幅を大量に消費します。
ライトバック方式
ライトバック方式は、データをキャッシュに一時的に保存し、後でまとめてメモリに書き込む方式です。
- Step1キャッシュへの書き込み
まず、CPUはデータをキャッシュメモリに書き込みます。これにより、次回同じデータが必要になったときに、CPUは高速にアクセスできます。
- Step2主記憶装置への書き込み
次に、同じデータが主記憶装置にも書き込まれますが、これはキャッシュブロックが置き換えられるとき、または特定の条件下でのみ行われます。これにより、キャッシュと主記憶装置の間でデータの整合性が保たれます。
以下に、メリット・デメリットも挙げておきます。
★メリット
- 書き込み速度：
すべての書き込み操作がキャッシュ内で行われるため、書き込み速度が向上します。
- バス帯域幅：
すべての書き込み操作がキャッシュ内で行われるため、バス帯域幅を節約します。
★デメリット
- データの整合性：
キャッシュと主記憶装置間でデータの整合性を保つために追加の制御メカニズムが必要です。
- 複雑な設計：
ライトバック方式は比較的複雑な設計で、実装が難しい場合があります。
最後に
さて今回は、基本情報技術者試験対策として、主記憶装置への書き込み方式の種類と基本原理についてまとめました。
ライトスルー方式とライトバック方式、それぞれ特徴の違いをしっかりと理解してあげることがすごく大切です。
簡単にポイントもまとめておきますので、必ずおさえておきましょう！
★ライトスルー方式
- 書き込みのタイミング：即座に同時
キャッシュメモリと主記憶装置の両方
- パフォーマンス：比較的遅い
それぞれ書き込み処理が必要だから
- データの整合性：容易に保たれる
キャッシュメモリと主記憶装置の両方に常に同じデータが入るから
★ライトバック方式
- 書き込みのタイミング：特定条件下で主記憶装置へ
最初はキャッシュメモリ、キャッシュブロックが置き換えられる際、主記憶装置へ
- パフォーマンス：比較的高速
すべての書き込み操作が最初にキャッシュ内で行われるから
- データの整合性：保つには追加の制御メカニズムが必要
書き込みタイミングの違いにより、キャッシュと主記憶装置間でデータが一貫していることを確認する必要があるから
前回まとめた記事も読んでもらえると嬉しいです！
基本情報以外の勉強記事も是非！
オススメ参考書 & Udemy講座
オススメ参考書
私が勉強する際に使用していたオススメ参考書は以下です。
上記シリーズの最新版は以下です。（内容はそこまで変わらないはずですが・・・）
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