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한빛미디어의 <혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제>를 요약 정리했습니다.

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Chapter 06 | 메모리와 캐시 메모리

• RAM : 전원을 끄면 저장된 명령어와 데이터가 모두 날아가는 휘발성 저장 장치 (↔ 비휘발성 저장장치 (예) 하드디스크, SSD, CD-ROM, USB 메모리)

  • CPU는 보조기억장치에 직접 접근하지 못하기 때문에 비휘발성 저장 장치에는 보관할 대상을 저장하고, 휘발성 저장 장치에는 실행할 대상을 저장함

    ⇒ RAM 용량이 커지면 프로그램 실행 속도가 어느 정도 증가함 (필요 이상 커지면 비례해서 증가하지는 않음)

  • DRAM(Dynamic RAM) : 시간이 경과함에 따라 저장된 데이터가 점차 사라짐

    • 데이터의 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화(다시 저장)해야 함
    • 소비 전력이 비교적 낮고, 저렴하고, 집적도가 높기 때문에 대용량으로 설계하기가 용이함

  • SRAM(Static RAM) : 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않음

    • DRAM보다 일반적으로 속도가 빠름
    • 전원이 공급되지 않으면 저장된 내용이 사라지기 때문에 휘발성 메모리임

  • SDRAM(Synchronous Dynamic RAM) : 클럭 신호에 맞춰 CPU와 정보를 주고 받을 수 있는 DRAM

    • SDR SDRAM(Single Data Rate SDRAM)이라 부르기도 함

  • DDR SDRAM(Doubld Data Rate SDRAM) : 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM

    • 최근 가장 흔히 사용됨 (DDR4 SDRAM)
    • DDR2 SDRAM은 DDR SDRAM보다 대역폭이 두 배 넓음
    • DDR3 SDRAM은 DDR2 SDRAM보다 대역폭이 두 배 넓고 SDR SDRAM보다 대역폭이 여덟 배 넓음

• 확인 문제 (p.184 ~ 185)

• 물리 주소 : 메모리 하드웨어가 사용하는 주소

• 논리 주소 : CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소

  • 모든 프로그램은 물리 주소가 아닌 0번지부터 시작하는 자신만을 위한 주소인 논리 주소를 가지고 있음
  • 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리

  ⇒ CPU와 메모리가 서로 이해하기 위해 논리 주소와 물리 주소 간의 변환이 이루어져야 함

• 메모리 관리 장치(MMU, Memory Management Unit) : 논리 주소와 물리 주소 간의 변환을 담당하는 하드웨어

  • CPU가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 변환함
  • 베이스 레지스터 : 프로그램의 가장 작은 물리 주소 (프로그램의 첫 물리 주소)

• 한계 레지스터 : 다른 프로그램의 영역을 침범하지 않도록 명령어 실행을 방지하고 보호하는 데 사용

  • 논리 주소의 최대 크기를 저장

    ⇒ 프로그램의 물리 주소 범위 : 베이스 레지스터 값 ~ 베이스 레지스터 값 + 한계 레지스터 값

  • CPU는 메모리에 접근하기 전에 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지를 항상 검사함

    ⇒ 만약 CPU가 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근하려고 하면 인터럽트(트랩)을 발생시켜 실행을 중단함

• 확인 문제 (p.194 ~ 195)

• 저장 장치 계층 구조 : CPU에 얼마나 가까운가를 기준으로 계층적으로 나타낸 구조

  • CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느림
  • 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비쌈
  • 레지스터, 캐시, 메모리, 보조기억장치 순으로 CPU에서 가까움

• 캐시 메모리 : CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위해 사용하는 메모리

  • 코어와 가까운 순서대로 계층을 구성함
    • 일반적으로 L1, L2 캐시는 코어 내부에 L3 캐시는 코어 외부에 위치해 있음
  • 분리형 캐시 : L1 캐시를 다시 명령어만을 저장하는 L1l 캐시와 데이터만을 저장하는 L1D로 분리한 경우
  • 캐시 메모리는 메모리보다 용량이 적음 → 메모리에 있는 모든 내용을 가져다 저장할 수 없음
  • 캐시 히트 : 자주 사용할 것으로 예측한 데이터가 실제로 들어맞아 캐시 메모리 내 데이터가 CPU에서 활용되는 경우
  • 캐시 미스 : 예측이 틀려 메모리에서 필요한 데이터를 직접 가져와야 하는 경우
  • 캐시 적중률 : 캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)
  • 참조 지역성 원리 : CPU가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리로 캐시 메모리는 이 원칙에 따라 메모리로부터 가져올 데이터를 결정함
    • 최근에 접근했던 메모리 고안에 다시 접근하려는 경향 : 시간 지역성
    • 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향 : 공간 지역성

• 확인 문제 (p.205)

• 하드 디스크(자기 디스크) : 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치

  • 플래터 : 데이터가 저장되는 동그란 원판
    • 트랙 : 플레터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그 중 하나의 원
    • 섹터 : 하드 디스크의 가장 작은 전송단위 (트랙은 여러 조각으로 나누어지는데 그 중 한 조각)
    • 실리더 : 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위로 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록됨
  • 스핀들 : 플래터를 회전시키는 요소
  • 헤드 : 플래터의 데이터를 읽고 쓰는 요소
    • 단일 헤드 디스크(고정 헤드 디스크) : 플레터의 한 면당 헤드가 하나씩 달려있는 하드 디스크
    • 다중 헤드 디스크(이동 헤드 디스크) : 헤드가 트랙별로 여러 개 달려 있는 하드 디스크
  • 디스크 암 : 헤드를 원하는 위치로 이동시키는 요소

• 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간

  • 탐색 시간 : 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
  • 회전 지연 : 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
  • 전송 시간 : 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

• 플래시 메모리 : USB 메모리, SD 카드 SSD 등

  • 셀 : 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위

    • SLC(Single Level Cell) : 한 셀에 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리
    • MLC(Multiple Level Cell) : 한 셀에 2비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리
    • TLC(Triple Level Cell) : 한 셀에 3비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리
    • 저장할 수 있는 비트가 작을 수록 수명이 길고, 읽고 쓰는 속도가 빠르며, 용량 대비 가격이 높음

  • 페이지 : 셀들이 모여 만들어진 단위

  • 블록 : 페이지가 모여 만들어진 단위

  • 플레인 : 블록이 모여 만들어진 단위

  • 다이 : 플레인이 모여 만들어짐

  • 페이지 상태 : 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이루어지지만 삭제는 블록 단위로 이루어짐

    • Free 상태 : 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
    • Valid 상태 : 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
    • Invalid 상태 : 쓰레기값이라 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태

    쓰레기값을 저장하고 있는 공간은 사용하지 않을 공간임에도 불구하고 용량을 차지함

    ⇒ 이러한 용량 낭비를 방지하기 위해 가비지 컬렉션을 통해 유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 후 기존 블록을 삭제하여 공간을 정리함

• 확인 문제 (p.219)

• RAID(Redundant Array of Independents Disks) : 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술로 데이터의 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술

  • RAID 레벨 : RAID 구성 방법

    • RAID 0 : 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식으로 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터를 스트라입이라 하고, 분산하여 저장하는 것을 스트라이핑이라고 함

      → 하드 디스크 중 하나에 문제가 생긴다면 다른 모든 하드 디스크의 정보를 읽는 데 문제가 생길 수 있음

      

    • RAID 1 : 복사본을 만드는 방식으로 미러링이라고도 부름

    • RAID 4 : 패리트 비트를 사용해서 오류를 검출함

    • RAID 5 : 패리티 정보를 분선하여 저장하는 방식

    • RAID 6 : 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식

• 확인 문제 (p.228 ~229)

• 장치 컨트롤러 (입출력 제어기, 입출력 모듈) : 입출력장치와 컴퓨터 내부 사이에서 정보를 주고 받을 수 있게 돕는 장치