CPU・メモリ | 基本情報技術者試験学習サイト

まず結論

CPUはコンピュータの「脳」で、クロック周波数が高いほど高速に処理できます。メモリには速くて揮発性のRAMと、遅くても不揮発性のROMがあります。CPUとRAMの速度差を埋めるのがキャッシュメモリです。

処理速度は速いほど価格が高く容量が少ない。この階層を理解することが重要です。

レジスタ
最速・少量

↕ 数ns

L1キャッシュ
数十KB

↕ 数ns

L2/L3キャッシュ
数百KB〜数十MB

↕ 数十ns

主記憶（RAM）
数GB〜数十GB

↕ 数ms〜数十ms

補助記憶（SSD/HDD）
数百GB〜数TB

↑ 上ほど高速・高価・少容量／下ほど低速・安価・大容量

クロック周波数

CPUが1秒間に処理できるサイクル数（Hz）。3GHz = 30億回/秒。高いほど高速だが発熱も増える。

命令実行サイクル

①フェッチ（命令取得）→②デコード（解読）→③実行→④ライトバック（結果保存）の4段階。

マルチコア

1チップに複数のCPUコアを搭載。デュアルコア・クアッドコア等。並列処理で性能向上。

パイプライン

複数の命令を重ねて処理する仕組み。洗濯機の「洗う・脱水・乾燥」を同時進行するイメージ。

      キャッシュメモリの役割

      CPUは主記憶（RAM）より100倍以上速い。よく使うデータをキャッシュに入れておくことで、CPUが主記憶を待つ時間（メモリアクセス待ち）を減らす。L1→L2→L3の順でCPUに近い。

RAM（揮発性メモリ）

電源を切るとデータが消える。プログラムの実行中に使う作業領域。DRAM（主記憶）とSRAM（キャッシュ）がある。

ROM（不揮発性メモリ）

電源を切ってもデータが残る。BIOS・ファームウェアの格納に使用。フラッシュメモリ（USBメモリ・SSD）も不揮発性。

      仮想メモリ：主記憶（RAM）が不足した時に、補助記憶（HDD/SSD）の一部を主記憶の代わりに使う仕組み。スワップとも言う。速度は大幅に低下する。
    

Q1. CPUと主記憶（RAM）の処理速度の差を補うために使われるものはどれか。

✅ 正解は②。キャッシュメモリはCPUと主記憶の速度差を補う高速メモリ。L1・L2・L3の階層があり、CPUに近いほど高速です。

Q2. 電源を切ってもデータが消えない不揮発性メモリはどれか。

✅ 正解は③。DRAM・SRAMはどちらも揮発性（電源オフでデータ消去）。フラッシュメモリ（USBメモリ・SSD）は不揮発性でデータが保持されます。

Q3. 主記憶の容量が不足した際に、補助記憶の一部を主記憶として使う仕組みを何というか。

✅ 正解は①。仮想メモリ（スワップ）はRAMが不足した際にHDD/SSDを一時的に主記憶として使う仕組み。速度は大幅に低下します。

Q4. DRAMとSRAMの説明として正しいものはどれか。

✅ 正解は②。DRAM（Dynamic RAM）は定期的なリフレッシュが必要だが安価で大容量のため主記憶（メインメモリ）に使用。SRAM（Static RAM）はリフレッシュ不要で高速・高価・少容量のためCPUキャッシュ（L1・L2）に使用。どちらも揮発性（電源オフでデータ消去）です。

Q5. CPUのパイプライン処理の説明として正しいものはどれか。

✅ 正解は②。パイプラインは命令の実行ステージ（フェッチ→デコード→実行→ライトバック）を工場の流れ作業のように重ねて処理します。1命令が終わる前に次の命令のフェッチを開始するため、スループット（単位時間あたりの処理命令数）が大幅に向上します。

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