直接マップ方式

2025年10月25日

直接マップ方式

英語表記: Direct Mapped Method

概要

直接マップ方式は、「メモリ階層」における最も基本的かつ単純な「キャッシュ構造」の一つであり、メインメモリ（DRAM）上の特定のデータブロックを、キャッシュメモリ（SRAM）内のただ一つの決められた場所にしか格納できないようにする手法です。これは、CPUがデータを探す際に、アドレス計算だけでキャッシュ内の格納場所を瞬時に特定できるというメリットを提供します。この方式は、検索の高速性を実現する一方で、複数のデータが同じキャッシュ領域を要求することで発生する「コンフリクトミス」（衝突）が欠点となる、トレードオフの構造を採用しています。

詳細解説

キャッシュ構造における役割と位置づけ

この方式は、高速なCPUと比較的遅い主記憶（DRAM）との速度差を埋める「キャッシュ階層と制御」において、データ配置のルールを定める根幹となる構造です。CPUがデータにアクセスする際、キャッシュ構造がデータがどこにあるか（またはどこになければならないか）を決定します。直接マップ方式の最大の目的は、この決定プロセスを可能な限り高速化し、複雑な検索ロジックを排除することにあります。

動作原理：アドレスの分割

直接マップ方式がどのように機能するかを理解するには、CPUが要求するメモリアドレスの構造を把握することが重要です。この方式では、メインメモリアドレスは主に以下の3つのフィールドに分割されます。

オフセット (Offset): キャッシュブロック（ライン）内部の、具体的なバイト位置を示します。
インデックス (Index): これが直接マップ方式の心臓部です。インデックスは、データがキャッシュ内のどのライン（行）に格納されるかを一意に決定します。この値が、キャッシュラインの物理的なアドレスとして機能します。
タグ (Tag): キャッシュラインに格納されているデータが、メインメモリのどのブロック由来であるかを識別するための「名前札」です。インデックスが同じ場所を指すメインメモリブロックは多数存在するため、タグによって衝突を防ぎ、正当性を検証します。

データの配置と検索プロセス

データがメインメモリからキャッシュに読み込まれる際、そのメインメモリアドレスのインデックス部分に基づき、格納すべきキャッシュラインがただ一つ決定されます。もしその場所にすでに別のデータ（タグが異なるデータ）が入っていた場合、その古いデータは問答無用で追い出され（置換され）、新しいデータが格納されます。

CPUがデータを読み出すときは、以下の手順で行われます。

要求されたアドレスからインデックスを抽出し、対応するキャッシュラインを瞬時に参照します。
そのキャッシュラインに格納されているタグと、要求されたアドレスのタグを比較します。
タグが一致すれば「キャッシュヒット」です。データはすぐさまCPUに渡されます。
タグが一致しなければ「キャッシュミス」です。これは、要求されたデータがまだキャッシュにないか、またはインデックスが同じ別のデータに上書きされてしまったことを意味します。

直接マップ方式のトレードオフ

この方式は、インデックスによって一意に格納場所が定まるため、検索ロジックが非常にシンプルで、回路設計が容易であり、非常に高速に動作するという大きな利点があります。これは、キャッシュ階層の応答速度を重視する上で非常に重要です。

しかし、その単純さゆえに、コンフリクトミス（衝突ミス）が発生しやすいという決定的な欠点があります。インデックスが同じになるメインメモリ上のブロックを、CPUが交互に頻繁にアクセスした場合、キャッシュラインは常に置換を繰り返すことになり（スラッシング）、キャッシュの利用効率が極端に低下してしまいます。これは、キャッシュメモリの容量が十分に空いているにもかかわらず、特定の場所だけが頻繁に争奪されるという、もったいない状況を生み出してしまうのです。

具体例・活用シーン

具体例：指定席駐車場のアナロジー

直接マップ方式の動作は、非常に厳格なルールが適用される「指定席駐車場」に例えると非常に分かりやすいです。

メインメモリブロック（DRAM）：駐車場に入ろうとしている車一台一台
キャッシュライン（SRAM）：駐車場内の個別の駐車スペース
インデックス：車のナンバーの下２桁（例：XX15）
タグ：車のナンバーの上の方の桁（例：品川300あ12XX）

アナロジーの物語

ある小さな会社には、高速アクセスを目的とした専用の駐車場（キャッシュ）があります。この駐車場にはルールがあり、「車のナンバーの下二桁（インデックス）が『15』の車は、必ず『15番の駐車スペース』に停めなければならない」と決められています。

データAのアクセス（ナンバー：1215）：車Aはルールに従い、15番に駐車します（タグは12）。
データBのアクセス（ナンバー：3415）：次に車Bがやってきました。車Bのインデックスも「15」です。
コンフリクト発生：車Bはルールにより、15番にしか停められません。たとえ駐車場内に他のスペース（例：20番、30番）がガラガラであっても、車Bは15番に停まる必要があります。
置換（エビクション）：その結果、先に停まっていた車A（データA）は、まだ必要かもしれないにもかかわらず、すぐに追い出されてしまいます。

この物語が示すように、直接マップ方式では、インデックスが衝突するデータ群（この場合は下二桁が15の車）は、キャッシュ内のたった一つの場所を巡って常に争奪戦を繰り広げます。これが、キャッシュの利用効率を低下させるコンフリクトミスです。一方で、空いているスペースが活用されないまま残るのが、この方式の大きな弱点なのです。

活用シーン

現在、高性能なCPUのL1キャッシュやL2キャッシュでは、より効率的な「セットアソシアティブ方式」が主流ですが、直接マップ方式は以下の点で依然として重要です。

単純な初期設計: 非常に単純なハードウェアロジックで実装できるため、設計の初期段階や、極端な低消費電力・低コストが求められる組み込みシステムなどで利用されることがあります。
歴史的背景: コンピュータの黎明期におけるキャッシュ構造の基礎であり、他の複雑な方式（セットアソシアティブ方式など）を理解するための出発点として不可欠です。

資格試験向けチェックポイント

直接マップ方式は、IT Passport試験から応用情報技術者試験まで、キャッシュ構造の基礎として頻出します。特に、他の方式との比較や、アドレスの計算問題が問われます。

学習のコツ:

コンフリクトミスは直接マップ方式の代名詞です。この用語と「単純さ」のトレードオフを必ずセットで覚えてください。
「セットアソシアティブ方式」は、この直接マップ方式の欠点（コンフリクトミス）を解消するために生まれた構造である、という文脈で理解すると、記憶に定着しやすいです。
計算問題では、インデックスのビット数が「キャッシュライン数」に直結し、オフセットのビット数が「ブロックサイズ」に直結することを意識しましょう。