[컴퓨터 구조] 메모리

RAM의 특성과 종류

RAM : 휘발성 저장 장치 - 전원 끄면 사라짐

• RAM 용량이 크면 많은 프로그램을 동시에 실행하는 데에 유리
• DRAM (Dynamic RAM)
  • 저장된 데이터가 동적으로 사라지는 RAM -> 데이터의 소멸을 막기 위해 주기적으로 재활성화 해야 함
  • 일반적으로 메모리로 사용되는 RAM -> 상대적으로 소비 전력이 낮고 저렴하고, 집적도가 높아 대용량으로 설계하기 용이
• SRAM (Static RAM)
  • 저장된 데이터가 정적인 (사라지지 않는) RAM
  • DRAM보다 일반적으로 더 빠름
  • 일반적으로 캐시 메모리에서 사용되는 RAM -> 상대적으로 소비전력이 높고 가격이 높고 집적도가 낮음
  • 대용량으로 설계할 필요는 없으나 빨라야 하는 장치에 사용
• SDRAM (Synchronous DRAM)
  • 특별한 (발전된 형태의) SDRAM
  • 클럭 신호와 동기화된 DRAM
• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
  • 특별한 (발전된 형태의) SDRAM
  • 최근 가장 대중적으로 사용하는 RAM
  • 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM (대역폭 - 데이터를 주고받는 길의 너비)

 

메모리의 주소 공간

• 새롭게 실행되는 프로그램은 새롭게 메모리에 적재
• 실행이 끝난 프로그램은 메모리에서 삭제
• 같은 프로그램을 실행하더라도 실행할 때마다 적재되는 주소는 달라짐

=> 시시각각 변하는 메모리에 저장된 값들

논리 주소와 물리 주소로 이루어진 메모리의 주소 공간

물리 주소

• 메모리 입장에서 바라본 주소
• 말 그대로 정보가 실제로 저장된 하드웨어 상의 주소

논리 주소

• CPU와 실행 중인 프로그램 입장에서 바라본 주소
• 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작하는 주소

물리 주소와 논리 주소의 변환

• MMU(메모리 관리 장치)라는 하드웨어에 의해 반환.
  • CPU -> 논리 주소 -> MMU -> 물리 주소 -> 메모리
• MMU는 논리 주소와 베이스 레지스터 값(프로그램의 기준 주소)을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환.
• 논리 주소는 기준 주소로부터 떨어져 있는 거리 값으로 이해하면 됨

 메모리 보호

한계 레지스터

• 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어의 실행을 막음
• 베이스 레지스터가 실행 중인 프로그램의 가장 작은 물리 주소를 저장한다면, 한계 레지스터는 논리 주소의 최대 크기를 저장
• 베이스 레지스터 값 <= 프로그램의 물리 주소 범위 < 베이스 레지스터 + 한계 레지스터 값
• CPU는 메모리에 접근하기 전 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지를 항상 검사

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CPU가 메모리에 접근하는 시간은 CPU 연산 속도보다 느리다. 

저장 장치 계층 구조

•  CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느림
• 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비쌈

캐시 메모리

• CPU와 메모리 사이에 위치한, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치
• CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 조금이나마 줄이기 위해 탄생
• 계층적 캐시 메모리 (L1-L2-L3 캐시)

일반적으로 L1 캐시와 L2 캐시는 코어 내부에, L3 캐시는 코어 외부에 위치한다.

멀티코어 프로세서의 캐시 메모리

참조 지역성의 원리

• 캐시 메모리는 메모리보다 용량이 작다.
• 메모리의 모든 내용을 저장할 수 없다. (당연)
• CPU가 자주 사용할 법한 내용을 예측하여 저장한다.
• 캐시 적중률 = 캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수) => 캐시 적중률을 높여야 함!
  • CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있음
  • CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있음

 

보조 기억 장치

• 비휘발성 저장 장치

• 하드 디스크
  
  • 자기적인 방식으로 데이터 저장
  • RPM (Revolution Per Minute) : 분당 회전수
  • 기본적으로 트랙과 섹터 단위로 데이터 저장 (섹터의 크기: 512 바이트 ~ 4096 바이트)
  • 실린더(cylinder): 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위
  • 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간
    • 탐색 시간 : 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
    • 회전 시간 : 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
    • 전송 시간 : 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

탐색, 회전, 전송

ns(나노초)는 10-9초

• 플래시 메모리
  • 전기적으로 데이터를 읽고 쓰는 반도체 기반 저장 장치 (범용성이 넓어서 보조기억장치에만 속한다고 보긴 어려움)
  • NAND 플래시 메모리
  • NOR 플래시 메모리
  • 셀(cell) : 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위 -> 이 셀이 모여서 수 MB, GB, TB 저장 장치가 됨
  • 읽기 / 쓰기의 단위와 삭제 단위가 다름 -> 읽기/쓰기는 페이지 단위, 삭제는 (페이지보다 큰) 블록 단위로 이루어짐
  • 페이지(저장단위)가 갖는 상태
    • Free 상태 : 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
    • Valid 상태 : 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
    • Invalid 상태 : 유효하지 않은 데이터(쓰레기값)를 저장하고 있는 상태
    • 가비지 컬렉션 
      
      • 유효한 페이지들만을 새로운 블록으로 복사
      • 기존의 블록을 삭제하여 공간을 정리

-> 플래시 메모리는 하드디스크와 달리 덮어쓰기가 불가능

가비지 컬렉션

• • 종류 - SLC, MLC, TLC

 

RAID

• RAID (Redundant Array of Independent Disks)
• 하드 디스크와 SSD로 사용하는 기술
• 데이터의 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술

RAID 레벨

• RAID를 구성하는 기술
• 스트라입(stripe) : 마치 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터
• 스트라이핑(striping) : 분산하여 저장하는 것
• RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6 등
• RAID 0
  • 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식
  • 저장되는 데이터가 하드디스크 개수만큼 나뉘어 저장
  • 입출력 속도의 향상. BUT 저장된 정보가 안전하지 않음
• RAID 1
  • 미러링 - 복사본을 만드는 방식
  • 데이터를 쓸 때 원본과 완전한 복사본 두 군데에 씀 (느린 쓰기 속도)
  • 하드 디스크 개수가 한정되었을 때 사용 가능한 용량이 적어짐
  • 복사본이 만들어지는 용량만큼 사용 불가 -> 많은 양의 하드 디스크가 필요 -> 비용 증가
• RAID 4
  • (RAID 1처럼 완전한 복사본을 만드는 대신) 패리티 비트를 저장
  • 패리티를 저장한 장치를 이용해 다른 장치들의 오류를 검출하고, 오류가 있다면 복구
  • 단점 : 패리티 디스크의 병목 

• RAID 5
  • 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식, 패리티 병목 완화

• RAID 6
  • 두 종류의 패리티(오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단)
  • RAID 5보다 안전, 쓰기는 RAID 5보다 느림

 

 

출처: 혼공컴운