캐시 기억 장치

degull·2023년 5월 30일

아키텍처

#1 캐시 기억 장치의 개념

캐시 기억 장치

주기억 장치에 저장돼있는 명령어와 데이터 중 일부를 임시로 복사해 저장하는 장치
데이터를 저장하고 인출하는 속도가 주기억 장치보다 빠름
고속 완충 기억 장치

기억 장치의 구성

원통 넓이 : 저장용량
원통 둘레 : 처리속도
원통 높이 : 가격

** 계층적으로 구성된 기억 장치는 기억 장치 참조의 특성을 이용해 동작

CPU가 프로그램을 실행할 때, 실행되는 프로그램의 90%가 해당 프로그램의 10% 부분만을 반복실행

기억장치를 참조할 때도 10%에 해당하는 특정 영역만 참조 (참조의 지역성)
계층 구조에서는 상위 계층에 반복되는 특정 영역을 저장해 CPU가 빠르게 참조할 수 있도록 함
만약 원하는 프로그램이 상위 계층에 없다면 하위 계층을 조사해 참조

SRAM

기억소자 플립플롭으로 구성되어 집적밀도가 높아 소용량 기억 장치에 사용
DRAM보다 처리 속도가 5배정도 빠름

동작과정

S = 0 ---> 기억 소자 선택되지 않아, 읽기/쓰기 동작 실행x
S = 1, R/W = 0 ---> 쓰기동작 수행해 데이터가 플립플롭에 저장, 데이터 출력x
S = 1, R/W = 1 ---> 읽기동작 수행해 데이터 출력o

SRAM 기억 소자의 구조

SRAM의 기억 소자를 격자 구조로 배열하면 많은 비트를 저장할 수 있는 진정한 SRAM

#2 캐시 기억 장치의 원리

주기억 장치는 외부의 보조기억장치에 저장된 프로그램을 저장하는 장치로, CPU와 보조기억장치 간 속도차이를 극복하기 위해 사용.
주기억장치는 보조기억장치보다 빠르지만 CPU에 비하면 매우 느림. 따라서 주기억 장치보다 빠른 캐시 기억 장치 등장

CPU와 주기억 장치 사이에 위치
5~100 나노초 정도로 접근 시간이 빠른 기억장치
수행할 명령어나 피연산자를 주기억장치에서 가져와 저장하고 있다가 빠른 속도로 CPU에 제공

캐시 기억 장치의 동작

캐시 기억 장치가 없는 컴퓨터 : CPU는 프로그램의 명령어를 실행할 때마다 주기억장치에 직접 접근해 명령어와 필요한 정보를 얻어옴
캐시 기억 장치가 포함된 컴퓨터 : CPU가 명령어 또는 데이터를 인출하기 위해 주기억장치보다 캐시기억장치를 먼저 조사

캐시 기억 장치의 실패

CPU가 명령어와 데이터를 인출하려고 캐시 기억 장치 검색
캐시 기억 장치에 워드가 없으면 "실패"
주기억 장치에서 필요한 데이터를 얻어 블록단위로 캐시 기억 장치에 저장
캐시 기억 장치는 CPU에 워드단위로 데이터 전송

캐시 기억 장치의 적중

CPU가 1002번지의 워드를 필요로 하고, 이것이 캐시 기억 장치에 존재함
캐시 기억 장치는 CPU가 수행할 명령어와 필요한 정보를 저장하고 있다가 필요시 즉시 제공해 신속하게 처리되도록 함
프로그램 내장형 컴퓨터의 특성인 기억 장치 참조의 지역성에 의해 가능

시작 --> CPU에서 주소 전달 --> 캐시 기억 장치에 명령어 존재한다면 --> 획득한 명령어 CPU로 전송 --> 완료

--> 캐시 기억 장치에 명령어 존재하지 않는다면 --> 주기억 장치에서 명령어 블록인출 --> 주기억 장치의 명령어 블록을 캐시에 저장 & 명령어 단어를 CPU에 전송

적중률

캐시 기억 장치가 있는 컴퓨터의 성능을 나타내는 척도로 적중률이 높을수록 속도가 빠름

캐시 기억 장치 접근 시간 : 50ns
주기억 장치 접근 시간 : 400ns
적중률을 높이면서 기억 장치 접근 시간?
1. 적중률이 70% : 0.7x50ns + 0.3x400ns = 155ns
2. 적중률이 80% : 0.8x50ns + 0.2x400ns = 120ns
3. 적중률이 90% : 0.9x50ns + 0.1x400ns = 85ns
4. 적중률이 95% : 0.95x50ns + 0.05x400ns = 67.5ns
5. 적중률이 99% : 0.99x50ns + 0.01x400ns = 53.5ns
  
  캐시 기억 장치의 적중률이 높을수록 캐시 기억 장치 접근시간에 근접함으로써 컴퓨터의 처리 속도가 빨라짐