[혼공단] '혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제' 3주차

Chapter 06. 메모리와 캐시 메모리

06-1. RAM의 특징과 종류

RAN 특징

• 휘발성 저장 장치 : 전원이 차단되면 저장된 명령어 데이터 모두 사라짐

RAN 용량과 성능

• 용량과 성능은 어느 정도 수준까지는 비례

RAN의 종류

• DRAM (Dynamic RAM)

  : 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 소멸. 일정 주기로 재활성화 필요. 소비 전력 적고 저렴, 집적도가 높아 대용량 설계 용이

• SRAM (Static RAM)

  : 시간이 지나도 저장된 데이터가 소실되지 않음. 재활성화 필요 없으나 소비 전력 크고 고가, DRAM보다 집적도가 낮음.

• SDRAM (Synchronous Dynamic RAM)

  : 클럭에 맞춰 CPU와 데이터 전송이 가능한 DRAM

• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

  : 대역폭을 확장한 SDRAM

06-2. 메모리의 주소 공간

물리 주소와 논리 주소

• 물리 주소 : 정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소를 의미

• 논리 주소 : 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소. 베이스레지스터* 로부터의 거리

• 베이스레지스터 : 프로그램의 가장 작은 물리 주소 저장 (= 프로그램의 첫 물리 주소)

• MMU (Memory Management Unit : 논리 주소 물리 주소 간 변환을 담당하는 하드웨어

메모리 보호 기법

• 한계 레지스터 (limit register) : 논리 주소의 최대 크기 저장. 프로세스 간 잘못된 메모리 접근 차단

• 프로그램 물리 주소 범위는 베이스 레지스터 이상 ~ (베이스 레지스터 + 한계 레지스터) 미만

06-3. 캐시 메모리

저장 장치 계층 구조

저장 장치 관련 일반 명제
  1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고  멀리 있는 저장 장치는 느리다.
  2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비싸다

• 계층 구조는 CPU와의 거리를 기준으로 계층적으로 나타냄

캐시 메모리

• 캐시 메모리
  : CPU - 메모리 사이에 위치 레지스터보다 용량 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반 저장 장치.
  CPU 연산 속도와 메모리 접근 속도 차이를 줄이기 위해 메모리에서 CPU가 사용할 일부 데이터를 미리 캐시에 저장

• 캐시 메모리의 종류
  : L1 (Level 1) / L2 / L3 / 분리형 캐시* 등

• 분리형 캐시 : L1 캐시를 분리. L1I (명령어만 저장) / L1D (데이터만 저장)

참조 지역성 원리

• 참조 지역성 원리 : 아래와 같은 경향을 바탕으로 캐시 메모리에 가져올 데이터를 결정하기 위한 원리

CPU 의 메모리 접근 경향 : `공간지역성`
  1. CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
  2. CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.

• 캐시 적중률(aache hit ratio)

cache hit ratio = cache hit count / cache miss count

Chapter 07. 보조기억장치

07-1. 다양한 보조기억장치

하드 디스크

• 자기적인 방식으로 데이터 저장

• 플래터(platter) : 실질적으로 데이터가 저장되는 장소.

• 스핀들(spindle) : 플래터를 회전시키는 구성 요소. 회전 속도는 RPM* 으로 표시.

• 헤드(head) : 플래터에 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소.

  • 단일 헤드 디스크(single-head disk) : 데이터가 존재하는 트랙까지 헤더를 이동시켜야 함.
    -> 이동 헤드 디스크(movable-head disk)
  • 다중 헤드 디스크(multiple-head disk) : 트랙마다 헤더가 존재.
    -> 고정 헤드 디스크(fixed-hard disk)

• 디스크암(disk arm) : 헤드가 부착된 구성 요소. 헤드를 원하는 위치로 이동시킴.

• 트랙(track) : 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그 중 하나의 원.

• 섹터(sector) : 트랙를 일정 구역으로 나눈 것.

• 블록(block) : 하나 이상의 섹터를 묶은 것.

• 실린더(cylinder) : 여러겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위.

• RPM(Revolution Per Minute) : 스핀들이 플래터를 돌리는 속도

• 하드디스크의 데이터 접근 시간

  • 탐색 시간 : 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
  • 회전 지연 : 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
  • 전송 시간 : 하드 디스크 ~ 컴퓨터 간 데이터 전송 시간

• 프로그래머가 알아야 할 컴퓨터 시간들

구 분	접근 시간
L1 캐시 참조 시간	0.5ns
L2 캐시 참조 시간	5ns
메모리 참조 시간	7ns
(메모리) 1MB 순차적으로 읽는 시간	250,000ns
(하드) 디스크 탐색 시간	10,000,000ns
(하드디스크) 1MB 순차적으로 읽는 시간	30,000,000ns
한 패킷의 캘리포니아 ~ 네덜란드 왕복 시간	150,000,000ns

플래시 메모리

• 반도체 기반 저장 장치

• 저장 회로 구성에 따라 NAND / NOR 로 나뉨

• 셀(Cell) : 데이터를 저장하는 가장 작은 단위

07-2. RAID의 정의와 종류

RAID의 정의와 종류

RAID의 종류

Chapter 08. 입출력장치

08-1. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러

장치 드라이버

08-2. 다양한 입출력 방법

프로그램 입출력

인터럽트 기반 입출력

DMA 입출력

3주차 숙제

(p. 185) 확인 문제 3번

• 다음 설명을 읽고 SRAM에 대한 설명인지 DRAM에 대한 설명인지 쓰세요
  • 주로 캐시 메모리로 활용됩니다. ( SRAM )
  • 주로 주기억장치로 활용됩니다. ( DRAM )
  • 대용량화하기 유리합니다. ( DRAM )
  • 집적도가 상대적으로 낮습니다 ( DRAM )

(p. 205) 확인 문제 1번

• 다음 보기에 있는 저장 장치들로 저장 장치 계층 구조 도식도를 채우세요.

`보기` 메모리, 보조기억장치, 캐시 메모리, 레지스터

1. 레지스터
2. 캐시 메모리
3. 메모리
4. 보조기억장치

추가 숙제 - Ch.07(07-2) RAID의 정의와 종류 정리