캐시 메모리(Cache Memory)

🔅 속도가 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.

ex1 ) CPU 코어와 메모리 사이의 병목 현상 완화
ex2 ) 웹 브라우저 캐시 파일은, 하드디스크와 웹페이지 사이의 병목 현상을 완화

• CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한다.
• 다음 이용할 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 먼저 가져오면서 속도를 향상시킨다.

속도라는 장점을 얻지만, 용량이 적기도 하고 비용이 비싼 점이 있다.

CPU에는 이런 캐시 메모리가 2 ~ 3개 정도 사용이 된다. (L1, L2, L3 캐시 메모리라고 부른다.)

속도와 크기에 따라 분류한 것으로, 일반적으로 L1 캐시부터 먼저 사용이 된다.

(CPU에서 가장 빠르게 접근하고, 여기서 데이터를 찾지 못하면 L2로 간다.)

듀얼 코어 프로세서의 캐시 메모리: 각 코어마다 독립된 L1 캐시 메모리를 가지고,

두 코어가 공유하는 L2 캐시 메모리가 내장된다.

만약 L1 캐시가 128kb 라면, 64/64로 나누어서 64kb에 명령어를 처리하기 직전의 명령어를 임시 저장하고,

나머지 64kb에는 실행 후 명령어를 임시 저장한다. (명령어 세트로 구성, I-Cache - D-Cache)

• L1: CPU 내부에 존재
• L2: CPU 와 RAM 사이에 존재
• L3: 보통 메인보드에 존재한다고 한다.

캐시 메모리 크기가 작은 이유는, SRAM 가격이 너무 비싸기 때문이다.

디스크 캐시: 주기억장치(RAM) 와 보조기억장치(하드디스크) 사이에 존재하는 캐시

캐시 메모리 작동 원리

• 시간 지역성

  for 나 while 같은 반복문에 사용하는 조건 변수 처럼 
  한번 참조된 데이터는 잠시후 또 참조될 가능성이 높음

• 공간 지역성

  A[0], A[1]과 같은 연속 접근시, 참조된 데이터 근처에 있는 
  데이터가 잠시후 또 사용될 가능성이 높음

  이처럼 참조 지역성의 원리가 존재한다.

캐시에 데이터를 저장할 때는, 이러한 참조 지역성(공간)을 최대한
활용하기 위해 해당 데이터뿐만 아니라, 옆 주소의 데이터도 같이
가져와서 미래에 쓰일 것을 대비한다.

CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 'Cache Hit', 없어서 DRAM 에서 가져오면 'Cache Miss'

캐시 미스 경우 3가지

1. Cold miss
   • 해당 메모리 주소를 처음 불러서 나는 미스
2. Conflict miss
   • 캐시 메모리에 A와 B 데이터를 저장해야 하는데, A와 B가 같은
     캐시 메모리 주소에 할당 되어 있어서 나는 미스 (direct mapped cache 에서 많이 발생)

   항상 휴대폰과 열쇠를 오른쪽 주머니에 넣고 다니는데, 
   잠깐 친구가 준 물건을 받느라 손에 들고 있던 휴대폰을 가방에 넣었다. 
   그 이후 휴대폰을 찾으려 오른쪽 주머니에서 찾는데 없는 상황

3. Capacity miss
   • 캐시 메모리의 공간이 부족해서 나는 미스
   • Conflict는 주소 할당 문제, Capacity는 공간 문제

캐시 크기를 키워서 문제를 해결하려하면, 캐시 접근속도가 느려지고 파워를 많이 먹는 단점이 생김.

구조 및 작동 방식

가장 기본적인 구조로, DRAM의 여러 주소가 캐시 메모리의 한 주소에 대응되는 다대일 형식이다.

현재 그림에서는 메모리 공간이 32개(00000~11111)이고, 캐시 메모리 공간은 8개(000~111)인 상황이다.



ex) 00000, 01000, 10000, 11000인 메모리 주소는 000 캐시 메모리 주소에 매핑

이때 000이 '인덱스 필드', 인덱스 제외한 앞의 나머지(00, 01, 10, 11)을 '태그 필드'라고 한다.



이처럼 캐시 메모리는 인덱스 필드 + 태그 필드 + 데이터 필드로 구성이 됩니다.

간단하고 빠른 장점이 있지만 Conflict miss 가 발생하는 것이 단점입니다.


위의 그림처럼 같은 색깔의 데이터를 동시에 사용해야 할 때 발생합니다.

• Fully Associative Cache

  비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식
  저장할 때는 매우 간단하지만, 찾을 때가 문제이다.
  조건이나 규칙이 없어서 특정 캐시 Set안에 있는 모든 블럭을 한번에
  찾아와서 원하는 데이터가 있는지 비교해서 검색해야 한다.
  CAM이라는 특수한 메모리 구조를 사용해야하지만 매우 비싸다.

• Set Associative Cache

  Direct + Fully 방식이다.
  특정 행을 지정하고, 그 행안의 어떤 열이든 비어있을 때 저장하는 방식
  Direct에 비해 검색 속도는 느리지만, 저장이 빠르고 Fully에 비해 저장이 느린 대신
  검색이 빠른 중간형이다

> 실제로 위 두가지 보다 나중에 나온 방식이다.