⭐ 내부 메모리와 주기억장치

컴퓨터의 기억 장치 중 CPU가 직접 접근 할 수 있는 메모리를 내부 메모리라 하고 cpu가 직접 접근할 수 없고 내부 메모리를 거쳐 cpu로 데이터를 전달하는 메모리를 외부 메모리라 한다. 메모리 주소를 인수로 취하는 기계 명령어는 있지만 디스크 주소를 인수로 취하는 기계 명령어는 없는 것은 이 때문이다. 내부 메모리에는 레지스터, 캐시메모리, 주기억장치가 있으며 주기억장치로는 RAM과 ROM이 있다.

1. RAM(Random Access Memory): 공급되던 전원이 없어지면 저장된 내용이 지워지는 휘발성 메모리이다. 여기서 Ramdom Access는 Ram의 어느 주소이든지 동일한 접근 속도로 데이터를 사용할 수 있다는 의미이다. RAM의 종류에는 두 가지가 있다. 정적(static) RAM과 동적(dynamic) RAM이다. 정적 RAM은 SRAM이라 부르며, 트랜지스터로 구성되어 있어 전원이 공급되는 동안은 기억 내용이 유지된다. 동적 RAM보다 빠르고 비싸기 때문에 캐시 메모리에 사용된다. 동적 RAM은 DRAM이라 부르며, SRAM과 달리 콘덴서로 구성되어 있어 전원이 공급되어도 일정 시간이 지나면 방전되어 기억 내용이 사라질 수 있기 때문에 주기적인 재충전이 필요하다. 재충전 간격은 64ms이다. 일반적으로 SRAM보단 DRAM을 주기억장치에 주로 사용한다

2. ROM(Random Access and Read Only Memory): 전원이 제거되어도 저장된 내용이 지워지지 않는 비휘발성 메모리다. ROM 또한 Ramdom Access 특징을 갖고 있다. 전원이 없어져도 기억 내용을 유지하는 특성을 위해 읽기만 가능하고 쓰기는 불가능하게 되어있다. 전원이 없어져도 데이터가 유지되는 특성으로 인해 주로 기본 입출력 시스템(BIOS)과 컴퓨터를 부팅할 때 수행되어야 하는 자가 진단 프로그램(POST), 부트스트랩 로더들을 저장하고 있다. 부트스트랩 로더는 컴퓨터의 전원을 켜면 디스크 내의 운영체제의 시작 부분을 RAM으로 load하는 기능을 수행하는 프로그램이다. ROM 디바이스에 저장된 프로그램들을 펌웨어라 부르기도 한다.

3. SDR(Single Data Rate) SDRAM과 DDR(Double Data Rate) SDRAM: SDRAM은 DRAM과 같은 휘발성 메모리로, 데이터 저장 방식은 같지만, 시스템 버스의 동기화 기술을 이용해 빠른 데이터 전송을 지원하는 메모리로, 기존의 DRAM과 달리 외부 시스템의 속도와 동기화 되어 동작해 상대적으로 높은 처리 성능을 지닌다. SDRAM은 대역폭에 따라 SDR SDRAM과 DDR SDRAM으로 구분되는데 SDR SDRAM은 데이터가 전송되는 대역폭이 하나이고 DDR SDRAM의 경우엔 데이터가 전송되는 대역폭이 2개 이상이다. DDR1은 대역폭이 2개, DDR2는 대역폭이 4개, DDR3는 대역폭이 8개인 식으로 DDR SDRAM의 대역폭이 결정된다.

4. 메모리 구조, 메모리 영역: 코드 영역, 데이터 영역, BSS영역, 힙 영역, 스택 영역: 프로그램, 즉 명령어 집합이 메모리에 로드되고 명령어에 맞춰 할당되는 메모리 공간들은 과연 일정한 기준도 없이 마음대로 할당되는 것일까? 당연히 그렇지 않다. 명령어에 따라 할당되어야 하는 메모리 공간들은 그 특성에 따라 할당 구역의 범위가 어느 정도 정해져 있다. 메모리에 낮은 주소에 해당하는 메모리 영역에는 프로그램, 즉 명령어 집합 그 자체인 소스 코드가 컴파일을 통해 변화된 기계어들이 로드된다. 그리고 그 보다 상대적으로 높은 주소의 메모리 영역에는 초기화된 전역 변수나 정적 변수에 해당하는 메모리들의 공간으로 할당되며 그 보다 높은 주소의 메모리 영역에는 초기화되지 않은 전역 변수나 정적 변수에 해당하는 메모리들의 공간으로 할당된다. 메모리 영역에서 가장 높은 주소의 영역에는 함수의 지역 변수에 해당하는 메모리들의 공간으로 할당되며 그보다 상대적으로 아래 주소의 영역에는 프로그램 실행 중 동적으로 생성되는 변수나 참조 변수에 해당하는 메모리들의 공간이 할당된다.

⭐ 캐시 메모리

내부 메모리에는 캐시 메모리도 있다. 캐시 메모리란 빠른 CPU와 상대적으로 느린 주기억장치 사이에 위치하여, 서로 속도 차이가 있는 메모리 사이의 데이터 접근 효율성을 향상시키기 위한 메모리이다. 메인 메모리로부터 CPU로 로드되어 사용된 데이터를 캐시 메모리에 보관함으로써 이후의 사용 시에는 캐시 메모리 내의 데이터를 먼저 사용함으로써 메인 메모리로의 접근 횟수를 줄여 속도를 향상시킨다. CPU에서 캐시 메모리로부터 명령어 혹은 데이터를 로드하는 과정을 순서도로 나타내면 다음 그림과 같다.

위 순서에서 중요한 것은 CPU가 전달한 메인 메모리 주소를 가지고 캐시 메모리에서 해당 주소의 메인 메모리로 이동하지 않아도 해당 메인 메모리 주소에 저장되어있을 명령어나 데이터를 어떻게 곧바로 CPU로 로드하느냐이다. 결과적으로 캐시 메모리는 메인 메모리의 주소와 해당 메모리 주소에 저장된 명령어나 데이터를 함께 캐시 메모리의 데이터로 저장해놓고 CPU로부터 메인 메모리 주소를 전달받으면 해당 메모리 주소를 캐시 메모리에서 검색해 명령어나 데이터를 로드하는 방식을 이용한다. 만약 전달받은 메인 메모리 주소를 바탕으로 캐시 메모리의 데이터를 검색했을 시 해당 메인 메모리 주소와 함께 저장된 데이터가 없으면 캐시 미스, 있으면 캐시 히트라 하고 캐시 미스가 발생하면 전달받은 메인 메모리 주소로 접근하여 명령어나 데이터를 메인 메모리로부터 CPU에 로드하고 메인 메모리 주소와 명령어 혹은 데이터를 함께 캐시 메모리에 저장한다. 캐시 메모리는 메인 메모리와 달리 데이터에 주소로 접근하는 것이 아니라 캐시 메모리 내부의 데이터를 통해 검색하기 때문에 내용 기반 검색을 한다고 하며, 이것을 두고 캐시 메모리를 사상 메모리라 한다.

• 참조 지역성

캐시 메모리에 저장되는 데이터는 지역성을 갖는데, 지역성이란 데이터 접근이 시간적, 공간적으로 깝게 일어나는 것을 의미한다. 지역성은 프로그램은 모든 코드나 데이터에 균등하게 접근하지 않고 어느 특정 시점에 특정 위치를 집중적으로 참조한다는 전제하에 가능하다. 캐시 메모리의 데이터가 지역성을 가짐으로써 캐시 메모리의 적중률, 즉 캐시 히트를 높일 수 있다. 지역성에는 시간적 지역성과 공간적 지역성이 있다. 시간적 지역성은 최근 참조된 주소의 내용을 곧 다시 참조하는 특성을 말하고 공간적 지역성은 인접한 주소의 내용이 곧 다시 참조되는 특성을 말한다.

• 캐시 엔트리

캐시 엔트리는 캐시 메모리의 데이터를 구분하는 논리적인 최소 단위로, 캐시 엔트리의 캐시 블록은 메인 메모리에 저장된 실제 데이터를 의미한다. 캐시 태그는 캐시 블록의 고유 식별 값으로 CPU가 이 태그를 바탕으로 캐시 메모리에 접근한다. 캐시 태그에는 해당 캐시 블록에 올바른 데이터가 들어있는지를 나타내는 유효비트가 포함되어 있고 유효비트가 0이면 데이터 블록이 비어있거나 잘못된 값이 들어있어 유효한 블록이 없다는 뜻이다. 캐시 태그 부분이 메인 메모리 주소의 형식에서 태그 부분을 따온 것이기 때문에 메인 메모리 주소가 CPU로부터 캐시 메모리로 전달되면 해당 태그를 바탕으로 데이터, 즉 블록이 유효한 지 검색하는 것이다.

• 매핑 방식

캐시 메모리에 캐시 엔트리를 저장할 때 캐시 메모리의 태그마다 캐시 엔트리가 캐시 메모리에 저장될 수 있는 메모리 상의 위치가 정해져 있음으로 인해 메인 메모리의 주소가 특정 위치의 캐시 메모리와 매핑되는 방식을 직접 사상(매핑) 방식이라 하며, 캐시 태그에 상관없이 캐시 엔트리가 캐시 메모리 어느 위치든지 저장될 수 있어 메인 메모리의 주소가 캐시 메모리 위치에 상관없이 매핑되는 방식을 연관 사상(매핑) 방식이라 한다.

위의 첫 번째 그림은 직접 사상 방식으로 캐시 메모리에서 태그마다 위치가 정해져 있어 태그에 따라 정해진 위치로 메인 메모리가 매핑되지만 두 번째 그림같은 연관 사상 방식의 경우엔 태그가 캐시 메모리에 순서대로 저장되지 않고 캐시 메모리 어느 위치이던지 빈 곳이면 저장 가능하여 캐시 메모리 위치에 상관없이 메인 메모리와 매핑된다.

• 메인 메모리 갱신

CPU에서 캐시 메모리로부터 캐시 블록의 데이터를 읽을 수도 있지만 캐시 블록에 데이터를 새로 쓸 수도 있기 때문에 해당 캐시 엔트리의 태그로 매핑된 메인 메모리의 데이터도 그에 맞춰 갱신해줄 필요가 있다. 캐시 블록에 데이터를 새로 써줄 때마다 갱신하는 방식을 write-through 방식이라 하고 캐시 메모리의 캐시 엔트리 교체 알고리즘에 따라 캐시 엔트리를 교체할 때만 캐시 블럭에 있는 데이터에 맞게 메인 메모리의 데이터를 갱신하는 방식을 write-back 방식이라 한다. 메인 메모리에 비해 캐시 메모리의 용량이 적기 때문에 필요할 때마다 캐시 엔트리를 교체해 줄 필요가 있는 것이다.

• 캐시 메모리의 투명성

프로그래밍을 할 때, 캐시 메모리의 용량을 염두하고 프로그래밍할 필요는 아예 없을 정도로 캐시 메모리는 투명도가 높다. 투명도가 높다는 것은 그만큼 프로그래밍을 할 때 변수로 작용되고 고려될경우가 없다는 것이다. 캐시 메모리는 완전한 자동화 방식으로 작동된다.

⭐ 외부 메모리와 보조기억장치

• 하드 디스크

하드 디스크는 자기적인 방식으로 데이터를 저장한다. 하드 디스크는 스핀들과 플래터, 헤드 등으로 구성되는데 플래터는 하드 디스크에서 실제적으로 데이터가 저장되는 판이라 할 수 있고 스핀들은 플래터를 회전시키는 모터라 할 수 있다. 플래터는 하드디스크에 여러 개가 설치된다. 플래터의 양면 모두에 데이터가 저장되는 방식이다. 하드디스크에서 데이터를 저장하는 단위로는 섹터, 블록, 트랙, 실린더가 있다. 실린더는 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위로 연속된 정보는 한 실린더에 기록한다. 하드디스크의 데이터 접근 시간에는 탐색 시간, 회전 지연, 전송 시간이 있다. 탐색 시간은 하드디스크의 헤드가 섹터로 이동하는 시간이고, 회전 지연은 스핀들이 플래터를 돌려 해당 섹터가 헤드와 만나도록 하는데 걸리는 시간이다.

• 플래시 메모리(ssd, usb, sd card)

플래시 메모리는 하드디스크와 달리 전기적인 방식으로 데이터를 읽고 쓰는 반도체 기반 저장 장치이다. 범용성이 넓어 ROM으로도 쓰일 수 있다. NAND 플래시 메모리와 NOR 플래시 메모리가 있다. 플래시 메모리의 가장 작은 데이터 저장 단위인 셀은 데이터 저장 방식에 따라 SLC, MLC, TLC, QLC로 나뉜다. 플래시 메모리의 데이터 단위로는 셀, 페이지, 블록, 플레인, 다이 순으로 크기가 커진다. 이 중 페이지 단위에 따라 읽기/쓰기가 이루어지고 블록 단위에 따라 삭제가 이루어진다. 페이지의 세 가지 상태로 free,valid, invalid가 있다. 플래시 메모리는 하드디스크와 달리 덮어쓰기 불가능하다. 플래시 메모리는 블록 단위로 삭제하기 때문에 블록 안에 페이지 하나가 invalid 상태가 된다면 해당 페이지만 삭제하는 것은 불가하므로 블록 안의 유효한 페이지만 새로운 블록으로 복사 후 기존의 블록은 삭제한다. 이러한 플래시 메모리의 기능을 가비지 컬렉션이라 한다.

• RAID
  데이터의 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술로, RAID를 구성하는 방식에 따라 RAID 레벨이 나뉜다. RAID 0부터 RAID 6까지 있으나, RAID 0, RAID 1, RAID 4, RAID 5, RAID 6가 주로 사용된다.

1. RAID 0은 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식이다. 어떤 임의의 데이터를 저장한다고 할 때, 하드디스크의 개수만큼 해당 데이터를 나누어 저장한다. RAID에 분산되어 저장된 데이터를 스트라입이라 하고, 스트라이핑은 데이터를 분산하여 저장하는 것을 말한다. RAID 0 뿐만 아니라 다른 레벨의 RAID에도 스트라이핑이 일어나고 스트라입이 존재한다. RAID 0의 장점은 입출력 속도가 향상된다는 장점이 있다. 하드디스크 하나에 데이터를 통째로 저장해놓으면 데이터를 순차적으로 읽어 CPU에 로드하기 때문에 시간이 상대적으로 지체된다. 데이터를 여러 하드디스크에 분산해놓으면 데이터를 순차적으로 읽어 로드할 필요없이 동시에 CPU에 로드할 수 있다. 하지만 RAID 0는 저장된 데이터가 안전하지 않다는 단점이 있다. 분산된 데이터들이 저장된 하드디스크 중 하나라도 이상이 생기면 전체 데이터가 사용 불가하다.
   
2. RAID 1은 데이터를 나누어 저장한 원본 하드 디스크들과 해당 원본의 복사본이 되는 하드디스크들, 총 두 군데에 걸쳐 데이터를 저장한다. 따라서 쓰기 속도가 느리며, 하드 디스크 개수가 한정되면 사용 가능한 용량이 적어지는 단점이 있다. 하지만 백업과 복원이 용이하다는 장점이 있다.
3. RAID 4는 RAID 1처럼 완전한 복사본을 만드는 방식이 아닌 패리티 비트를 저장하는 하드디스크를 지정하는 방식이다. 패리티 비트는 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보이다. 원래 패리티 비트는 오류 검출용 정보인 것이 정석이나, RAID에서 패리티 비트는 오류의 복구까지 가능하다. RAID 1에 비해 적은 하드 디스크로도 데이터를 안전하게 저장할 수 있는 장점이 있다. 하지만 데이터를 하드디스크에 쓸 때마다 패리티 비트를 저장하는 하드 디스크에도 새로운 정보가 쓰여야 하기 때문에 병목 현상이 발생할 우려가 있다.
   
4. RAID 5는 RAID 4의 단점을 보완하기 위해 패리티 비트까지 분산하여 저장하는 방식이다. 패리티 비트를 하나의 하드디스크에만 저장하지 않고 분산하여 저장하기 때문에 패리티 비트를 저장하는 하드디스크들에 병목 현상이 발생할 우려가 없다.
   
5. RAID 6는 RAID 5와 마찬가지로 패리티 비트를 분산하여 저장하는 방식으로, RAID 5와 달리 하나의 데이터에 대한 패리티 비트를 두 개의 하드디스크로 분산하여 저장한다. RAID 5에 비해 안전하나, 쓰기 속도가 RAID 5보단 느린 단점이 있다.