컴퓨터 구조 + 운영체제 #06

참고 서적: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 (강민철, 한빛미디어)

I. RAM의 특성과 종류

1. RAM의 특성

• 휘발성 기억 장치이다.
• 보관할 대상은 보조 기억 장치에 저장되고, 실행할 대상은 RAM에 저장된다.
• RAM의 용량이 커질수록 CPU가 한 번에 실행할 수 있는 프로그램의 수가 증가한다.

2. RAM의 종류

1) DRAM

• (전력이 계속 공급되어도) Memory에 저장된 데이터가 사라지는 동적인 RAM이다.
• 데이터의 소멸을 막기 위해 저장된 데이터를 주기적으로 재활성화 (Refresh)해야 한다.

일반적으로 Memory로 사용되는 RAM이다.

- 상대적으로 소비 전력과 가격이 낮고 집적도가 높아 대용량으로 설계하기 용이하기 때문이다.

2) SRAM

• Memory에 저장된 데이터가 사라지지 않는 정적인 RAM이다.
• 전력이 공급되지 않으면 SRAM에 저장된 데이터는 지워진다.
• 일반적으로 DRAM보다 입출력 속도가 더 빠르다.

일반적으로 Cache Memory에서 사용되는 RAM이다.

- 상대적으로 소비 전력과 가격이 높고 집적도가 낮아 대용량으로 설계하기 어렵다.
- 대용량으로 설계할 필요는 없으나 빨라야 하는 장치에 사용된다.

3) SDRAM (Synchronous DRAM)

• 클럭 신호가 동기화된 DRAM

4) DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

• 대역폭을 넓혀 데이터 전송률을 두 배로 높인 고속 SDRAM
• 최근 Memory로서 가장 대중적으로 사용된다.
• DDR2 SDRAM: 전송률 4배
• DDR3 SDRAM: 전송률 8배
• DDR4 SDRAM: 전송률 16배

II. Memory의 주소 공간

• CPU와 프로세스는 현재 Memory의 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 전부 알 수 없다. Memory에 저장된 값들은 시시각각 변하기 때문
  - 새로 실행되는 프로그램은 memory에 새로 적재된다.
  - 실행이 끝난 프로그램은 memory에서 삭제된다.
  - 동일한 프로그램을 실행하더라고 실행할 때마다 적재되는 주소는 달라진다.
• 이를 극복하기 위해 주소를 물리 주소와 논리 주소로 나누었다.

1. 물리 주소

• Memory 입장에서 바라본 주소
• 데이터가 실제로 저장된 하드웨어적 주소

2. 논리 주소

• CPU와 프로세스 입장에서 바라본 주소
• 프로세스에 부여된 0부터 시작하는 주소

3. MMU (Memory Management Unit)

• CPU로부터 전달 받은 논리 주소를 물리 주소로 변환하여 Memory의 실제 주소에 매핑한다.
• 이 과정에서 논리 주소와 물리 주소는 항상 주소 버스를 통과한다.
• MMU는 논리 주소와 베이스 레지스터 (프로그램의 기준 주소) 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환한다.

4. 한계 레지스터 (Limit Register)

• MMU에서 최종적으로 변환된 물리 주소의 값이 다른 프로그램의 메모리 주소 영역을 침범할 수 있다.
• 이런 현상을 막는 것이 한계 레지스터이다.
• 한계 레지스터에는 논리 주소의 최대 크기를 저장한다.
• 베이스 레지스터 값 <= 프로그램의 물리 주소 범위 < 베이스 레지스터 값 + 한계 레지스터 값

III. Cache Memory

1. 저장 장치 계층 구조 (Memory Hierarchy)

1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 높다.
   -> 이에 따라, CPU가 Memory에 접근하는 시간은 CPU의 연산 시간보다 압도적으로 오래 걸린다.

2. Cache Memory

• CPU와 Memory 사이에 위치한다.
• Register보다는 용량이 크고 Memory보다는 빠른 SRAM 기반의 저장 장치이다.

3. 계층적 캐시 메모리

1) L1, L2 캐시

• CPU (코어) 내부에 위치한다.
• L3 캐시보다 용량은 작고 속도는 빠르다.

2) L3 캐시

• CPU와 Memory 사이에 (CPU 외부에) 위치한다.
• L1, L2 캐시보다 용량은 크고 속도는 느리다.
• Memory보다 용량이 작다.

4. 참조 지역성의 원리

• Cache memory는 Memory보다 용량이 작다.
• 당연하게도, Memory의 모든 내용을 Cache Memory에 저장할 수는 없다.
• 이에 따라, CPU가 자주 사용할 법한 내용을 예측하여 Cache Memory에 저장하는 것이 가장 중요하다.

1) Cache Hit

• Cache Memory의 예측이 맞을 경우
• 즉, CPU가 Cache Memory에 저장된 값을 사용한 경우

2) Cache Miss

• Cache Memory의 예측이 틀릴 경우
• 즉, CPU가 Memory에 접근해야 하는 경우

3) 참조 지역성의 원리

• 시간 지역성: CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
• 공간 지역성: CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.