[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] Chapter 6 - 7

Chapter 6. 메모리와 캐시 메모리

목표
- RAM의 특징과 종류에 대해 학습한다.
- 논리 주소와 물리 주소의 차이를 이해한다.
- 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 방법을 이해한다.
- 캐시 메모리와 저장 장치 계층 구조의 개념을 이해한다.

01. RAM의 특징과 종류

1. RAM(메모리)

- 실행할 프로그램의 명령어와 데이터를 저장

- 휘발성 저장 장치 : 전원을 끄면 RAM에 저장된 명령어와 데이터는 모두 날아감 <-> 비휘발성 저장 장치 ex. SSD, 하드 디스크, USB 등

- CPU가 실행하고 싶은 프로그램이 보조 기억장치에 있을 때, RAM으로 복사하여 저장 후, 실행함

- 램의 용량이 크면 많은 프로그램들을 동시에 실행하는 데에 유리. 단, 용량이 필요 이상으로 커지면 속도가 비례하진 않음

 

2. DRAM Dynamic RAM

- 시간이 지나면 저장한 데이터가 점차 사라지는 RAM

-> 데이터의 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화(다시 저장)해야 함

- 소비 전력이 비교적 낮고, 저렴하고, 집적도가 높기 때문에 대용량으로 설계하기 유리 -> 일반적으로 메모리로써 많이 사용함

 

3. SRAM Static RAM

- 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않음

- 일반적으로 DRAM보다 속도가 더 빠름

- 집적도 낮음, 소비 전력 큼, 가격 더 비쌈 -> 캐시 메모리로 사용함(대용량 필요  X)

	DRAM	SRAM
재충전	필요함	필요 없음
속도	느림	빠름
가격	저렴함	비쌈
집적도	높음	낮음
소비 전력	적음	높음
사용 용도	주기억장치(RAM)	캐시 메모리

4. SDRAM Synchronous Dynamic RAM

-  클럭 신호와 동기화된, 발전된 형태의 DRAM

- 클럭에 맞춰 동작하며, 클럭마다 CPU와 정보를 주고받을 수 있는 DRAM

 

5. DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM

- 최근 가장 흔히 사용되는 RAM

- 대역폭*을 넓혀 전송 속도가 빠른 SDRAM

- DDR4 SDRAM -> DDR SDRAM보다 대역폭이 열여섯배 넓음 -> 최근 흔히 사용

*대역폭 : 데이터를 주고받는 길의 너비

 

02. 메모리의 주소 공간

1. 물리 주소

- 메모리가 사용

- 정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소

 

2. 논리 주소

- CPU, 실행 중인 프로그램이 사용

- 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소

-> 두 주소는 CPU와 메모리의 상호작용을 위해 서로 간의 변환이 필요함

 

3. 메모리 관리 장치 MMU

- CPU와 주소 버스 사이에 위치

- 논리 주소와 물리 주소 간의 변환 담당 -> CPU가 발생시킨 논리 주소 값 + 베이스 레지스터* 값

*베이스 레지스터 : 프로그램의 가장 작은 물리 주소 = 첫 물리 주소

 

4. 한계 레지스터 limit register

- 논리 주소 범위를 벗어나는 명령어 실행을 방지, 실행 중인 프로그램이 다른 프로그램에 영향을 받지 않도록 보호하는 역할

- 논리 주소의 최대 크기를 저장

-> 프로그램의 물리 주소 범위 = 베이스 레지스터 값 이상 + 한계 레지스터 값 미만

 

5. 인터럽트(트랩)

- CPU가 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근 시도할 때 발생하여 실행을 중단함

 

03. 캐시 메모리

1. 저장 장치

- 일반적으로 저장 장치가 따르는 명제

    - CPU와 가까울수록 저장 장치의 속도는 빠르다. 반대로 멀수록 저장 장치는 느리다.

    - 속도가 빠른 저장 장치일수록 용량이 작고 가격이 비싸다.

- 저장 장치 계층 구조

    - CPU에 얼마나 가까운가

 

2. 캐시 메모리 cash memory

- CPU와 메모리 사이에 위치한 저장 장치로 SRAM 기반

- 레지스터 보다 용량이 크고 메모리보다 빠름

- CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위해 사용

- CPU에서 사용할 데이터를 미리 저장함

 

3. 캐시 메모리 계층

- 코어와 가까운 순서대로 계층을 구성함

- 가까울 수록 숫자가 작음 -> L1, L2, L3 순

- L1과 L2 캐시는 코어마다 고유한 캐시 메모리로 할당

- L3 캐시는 여러 코어가 하나의 L3를 공유하는 형태로 사용

항목	비교
용량	L1 < L2 < L3
속도	L1 > L2 > L3
가격	L1 > L2 > L3

 

4. 분리형 캐시(split cache)

- L1 캐시의 접근 속도를 조금이라도 더 빨리 하기 위해 L1 캐시를 분리하는 것을 의미

- L1I 캐시(Level 1 Instruction): 명령어만을 저장하는 캐시

- L1D 캐시(Level 1 Data): 데이터만 저장하는 캐시

 

5. 참조 지역성 원리

- 캐시 메모리는 CPU가 사용할 법한 대상을 예측해서 저장

- 캐시 히트 cache hit : 자주 사용될 것으로 예측해서 캐시 메모리에 저장한 데이터가 CPU에서 사용된 경우

- 캐시 미스 cache miss : 캐시 메모리에 저장했지만 예측이 틀려 CPU가 메모리에서 필요한 데이터를 가져오는 경우

- 캐시 적중률

    - 캐시가 히트되는 비율

    - 캐시 히트 횟수 ./ (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)

 

6. 참조 지역성의 원리 locality of reference, principle of locality

- CPU가 주로 메모리에 접근하는 경향을 바탕으로 만들어진 원리

    - 시간 지역성 : CPU는 최근에 접근한 메모리 공간에 다시 접근하는 경향이 있음

    - 공간 지역성 : CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하는 경향이 있음

 

 

Chapter 7.  보조기억장치

목표
- 하드 디스크 구조와 작동 원리를 이해한다.
- 플래시 메모리 구조와 작동 우너리를 이해한다.
- RAID의 의미와 다양한 RAID 레벨을 학습한다.

01. 하드 디스크

1. 하드 디스크란

- 자기적인 방식으로 데이터를 저장(= 자기 디스크의 일종)

 

2. 플래터

- 실질적으로 데이터가 저장되는 곳

- 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극, S극을 저장함(0과 1의 역할 수행)

 

3. 스핀들

- 플래터를 회전 시키는 역할

- RPM : 분당 회전수, 스핀들이 플래터를 돌리는 속도

 

4. 헤드

- 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소

- 바늘처럼 생김. 플래터 위에 미세하게 떠서 데이터를 읽고 씀

 

5. 디스크 암

- 헤드를 이동시키는 역할

6. 트랙

- 플래터가 데이터를 저장하는 단위

- 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때, 그 중 하나의 원 ex. 운동장의 달리기 트랙

 

7. 섹터

- 트랙이 여러 조각으로 나뉘어질 때, 한 조각

- 하드 디스크의 가장 작은 전송 단위

- 일반적으로 512byte, 하지만 하드 디스크에 따라 크기가 달라짐

8. 실린더

- 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위

 

02. 저장된 데이터에 접근하는 과정

- 탐색 시간 seek time : 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간

- 회전 지연 rotational latency : 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간

- 전송 시간 transfer time : 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

-> 성능에 큰 영향을 끼침

--> 데이터에 접근 시, 플래터 혹은 헤드의 움직임을 최소화하는 것이 중요!

참고 : 하드 디스크 작동 모습

 

03. 플래시 메모리

1. 플래시 메모리란

- 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치 ex. USB 메모리, SD 카드, SSD

- 다양한 곳에서 널리 사용하는 저장 장치

 

2, 플래시 메모리의 큰 종류

- NAND 플래시 메모리 : NAND 연산을 수행하는 회로를 기반으로 만들어진 메모리

   -> 대용량 저장 장치로 많이 사용

   -> 이번 내용에서 다룰 메모리

- NOR 플래시 메모리 : NOR 연산을 수행하는 회로를 기반으로 만들어진 메모리

 

16. 셀 cell

1. 셀이란?

- 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위

- 하나의 셀에 저장할 수 있느 비트에 따라 플래시 메모리 종류가 나뉨

- SLC single level cell : 한 셀에 1bit 저장

- MLC multiple level cell : 한 셀에 2bit 저장

- TLC triple level cell : 한 셀에 3bit 저장

- QLC quadruple level cell : 한 셀에 4bit 저장(책에선 다루지 않음)

2. 페이지 page

    - 셀들이 모여 만들어진 단위

    - Free 상태 : 데이터 X, 새로운 데이터 저장 가능한 상태

    - Valid 상태 : 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태 -> 덮어쓰기 불가능

    - Invalid 상태 : 쓰레기값(유효하지 않은 데이터)을 저장하고 있는 상태

 

3. 블록 block

- 페이지가 모여 만들어진 단위 -> 블록 단위로 삭제가 수행됨

 

4. 플레인 plane

- 블록이 모여 만들어진 단위

 

5. 다이 die

- 플레인이 모여 만들어진 단위

6. 가비지 컬렉션 garbage collection

    - 유효한 페이지들만 새로운 블럭으로 복사하고, 기존의 블록을 삭제하는 기능

 

04. RAID의 정의

- Redundant Array of Independent Disks

- 주로 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술

- 데이터의 안전성 혹은 높으 ㄴ성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술

 

05. RAID의 종류

1. RAID 레벨

- RAID를 구성하는 방법

- RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6, RAID 10, RAID 50 등

 

2. RAID 0

- 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식 = 하드 디스크 개수 만큼 데이터가 나뉘어 저장됨

- 스트라입 stripe : 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터

- 스트라이핑 striping : 분산하여 저장하는 방식

-> 속도가 빠름

- 단점 : 하드 디스크 중 하나에 문제가 생기면 다른 모든 하드 디스크의 정보를 읽을 때 문제가 발생할 수 있어 저장된 정보가 안전하지 않음

 

3. RAID 1

- 복사본을 만드는 방식

- 미러링 mirroring : 마치 거울처럼 완전한 복사본을 만드는 구성

- 원본과 복사본 두 군데에 저장하기 때문에 RAID 0보다 속도는 느리나, 복구가 매우 간단함

- 단점 : 하드 디스크 개수가 한정되면 사용 가능한 용량이 적어짐

 

4. RAID 4

- 패리티 비트*를 저장한 장치를 두는 구성 방식

* 패리티 비트 parity bit : 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보

- 다른 장치들의 오류를 검출, 복구하기 때문에 RAID 1보다 적은 하드 디스크를 요구

- 단점 : 패리티 저장 장치에 병목 현상이 발생함

5. RAID 5

- 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식

-> RAID 4의 병목 현상을 해결함

 

6. RAID 6

- 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식

- 오류 검출, 복구 수단이 두 개 -> 더욱 안전한 구성

- 단점 : 패리티가 두 개라서 쓰기 속도는 좀 느림