CPUと記憶装置

RAMの行を押すと、現在の内容を確認しながら初期内容を編集できます。「次へ」で1動作ずつ進み、「前へ」でCPU・RAM・キャッシュ・計測値を直前の段階へ戻します。青い破線は番地の要求、緑の実線は命令やデータの転送です。命令取得・読み出し・書き込みで色の意味は変わりません。キャッシュのヒット／ミスは要求欄で太字と色を使って表示します。開始番地は常に0です。対象のRAM行は自動で表示し、背景色で強調します。キャッシュヒット時のRAM行の表示は参照先の確認用で、RAMへの転送は発生しません。ミスの場合も、まずCPUからキャッシュへ要求し、ミス判定後にRAMへブロックを要求します。キャッシュの枠には要求を処理する制御を含めて表しています。

命令と数値は同じRAM（0〜31番地）に置きます。命令取得とデータ読み書きは1つのキャッシュを共有し、2番地単位のブロックをどの枠にも保持できます。最近使われていないブロックから置き換えます（LRU）。書込ミスでもブロックを取得し（ライトアロケート）、RAMにもその都度書き込みます（ライトスルー）。書き込みによって命令が数値に変わる場合もあります。

仮想時間の計算方法

合計時間＝命令数 × CPU処理時間 ＋ 全メモリアクセスの待ち時間として計算します。 CPU処理時間は命令が完了するたびに1回だけ加算し、命令の種類にかかわらず一定です（初期設定は1ns）。加算・分岐・書き込みなどでCPU処理時間は変えません。 一方、メモリ待ち時間は命令に必要なアクセス回数と、各アクセスのヒット／ミスによって変わります。

命令ごとのメモリアクセス

どの命令も、最初に命令をRAM上の番地から取得します（読出1回）。その後にデータの読出や書込が必要な命令は、もう1回アクセスします。

アクセス1回あたりの仮想待ち時間

同じ状況なら、どの命令でアクセスしたかによらず同じ時間を加算します。命令取得は「読出」に含みます。

書込ヒットでもRAMに書き込むため、RAM転送時間を1回加えます（ライトスルー）。書込ミスではブロック取得と書き込みでRAM転送を2回数えます（ライトアロケート＋ライトスルー）。2番地分のブロック取得は1転送として扱います。

例えば初期設定（CPU処理1ns、キャッシュ参照2ns、RAM転送40ns）で、すべてキャッシュヒットした場合、値の設定は3ns、加算は5ns、書込は45nsです。 つまり、CPU処理時間が一律でも、命令全体の時間は同じとは限りません。

読出ヒット時はキャッシュ → CPU、ミス時はRAM → キャッシュ → CPUの順でデータを渡し、RAMからの取得を二重には数えません。実機では必要な値をブロック取得中に先に返す場合もあります。実機の書込バッファや並行処理は省略し、この教材では順番に仮想時間を加算します。CPU処理時間は画面上の命令完了時に計上し、表示・自動実行の速度は仮想時間に影響しません。

実行状況のメーターは、CPU処理・キャッシュ参照・RAM転送にかかった時間の割合です。凡例の数値はそれぞれの仮想時間を表します。キャッシュ参照にはミスを調べた時間も含みます。RAM転送にはミス時のブロック取得、ライトスルーの書き込み、キャッシュOFF時の直接アクセスを含みます。青の無地・オレンジの斜線・紫の点模様を使い、色だけでなく模様と文字でも区別できます。

値は安全な整数の範囲で扱います。自動実行は10,000命令ごとに一時停止。RAM・設定の変更後はキャッシュを空にし、計算中の値を0に戻します。保存済みの比較記録は保持します。