[혼공컴운] 3주차_Ch6~8

Ch06. 메모리와 캐시 메모리

메인 메모리

RAM (Random Access Memory)

• 휘발성 메모리
• 데이터 읽기, 쓰기 가능
• 실행 중인 프로그램과 데이터 저장

ROM (Read Only Memory)

• 비휘발성 메모리 (영구 저장)
• 데이터 읽기만 가능
• 시스템 부팅에 필요한 BIOS, 펌웨어 등 저장

RAM의 종류

RAM 용량이 크면 많은 프로그램을 동시에 빠르게 실행할 수 있어 성능이 향상됨. (일정 수준 이상에서는 큰 차이 없음)

• DRAM (Dynamic RAM)

  • 시간이 지나면 데이터가 동적으로 사라지는 RAM -> 데이터 재활성화 필요
  • 일반적으로 메인메모리로 사용

• SRAM (Static RAM)

  • 전원이 켜져 있는 동안 데이터가 유지되는 RAM
  • 보통 캐시 메모리에 사용

	DRAM	SRAM
재충전	필요	X
속도	느림	빠름
가격	저렴함	비쌈
집적도	높음	낮음
소비 전력	적음	높음
사용 용도	RAM	캐시 메모리

• SDRAM (Synchronous Dynamic RAM)

  • 클럭 신호와 동기화된 DRAM
  • 클럭에 맞춰 CPU와 정보를 주고 받을 수 있는 DRAM
  • SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM)으로도 불림.

• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

  • 대역폭(date rate, 데이터를 주고 받는 길의 너비)을 2배 넓혀 속도를 높인 SDRAM
  • 한 클럭당 CPU와 데이터를 2번 주고받을 수 있음.

대역폭	명칭
2	DDR SDRAM
4	DDR2 SDRAM
8	DDR3 SDRAM

물리 주소와 논리 주소

• 물리 주소: 실제로 데이터가 저장된 HW상의 주소, 메모리 HW가 사용하는 주소
• 논리 주소: 실행 중인 프로그램 각각에 부여된 0번지부터 시작하는 주소, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소

메모리에 저장된 정보는 계속에서 변하기 때문에 CPU와 실행 중인 프로그램은 메모리의 물리 주소를 알지 못함.
-> 따라서 CPU와 메모리가 상호작용하기 위해서는 논리 주소와 물리 주소 간에 변환이 필요

• 메모리 관리 장치(MMU; Memory Menagement Unit): 논리 주소 -> 물리 주소의 변환 수행
  • CPU와 주소 버스 사이에 위치
  • CPU가 발생시킨 논리 주소 + 베이스 레지스터 값 => 물리 주소
    ex) 베이직 레지스터: 1000, 논리 주소: 100 => 물리 주소: 1100
  • 베이직 레지스터: 프로그램의 시작 물리 주소 저장

메모리 관리 기법

논리 주소 범위(실행 중인 프로그램 외)를 벗어나는 명령어 실행 방지
각 프로그램이 독립적으로 실행될 수 있도록 보호

• 한계 레지스터: 논리 주소의 최대 크기 저장

프로그램 물리 주소 범위: 베이스 레지스터 값 ~ (베이스 레지스터 값 + 한계 레지스터 값)
CPU는 메모리에 접근할 때 먼저 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지 검사함.
접근하려는 논리 주소가 한계 레지스터보다 크면 인터럽트(트랩) 발생

저장 장치 계층 구조

각기 다른 저장 장치들을 계층화하여 표현한 구조

• CPU와 저장 장치가 가까울수록 빠르다.
• 속도가 빠른 저장 장치는 용량이 작고 가격이 비싸다.
  

캐시 메모리

• 등장 배경: 기술 발전으로 CPU의 연산 속도가 급격히 증가하면서 CPU와 메인 메모리 간의 속도 차이로 발생하는 병목 현상을 해결하기 위해 도입

• CPU와 메인 메모리 사이에 위치한 SRAM 기반의 고속 메모리

• 캐시 계층 구조

  • 코어와 가까운 순서대로 계층을 구성
  • L1 캐시 - L2 캐시 - L3 캐시
  • 용량: L1 < L2 < L3
  • 속도: L1 > L2 > L3
  • 가격: L1 < L2 < L3
  • 접근 순서: L1 > L2 > L3

  L1, L2 캐시는 코어마다 존재하고, L3 캐시는 여러 코어가 공유하는 형태
  

• 캐시 히트 (Cache Hit): 요청한 데이터가 캐시에 있는 상태
• 캐시 미스 (Cache Miss): 요청한 데이터가 캐시에 없는 상태. 메모리에서 데이터를 읽어 옴.
• 캐시 적중률: 캐시 히트 횟수 / 전체 기억장치 엑세스 횟수

참조 지역성 원리 (Locality of Reference)

CPU가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리

• 시간 지역성 (temporal locality): 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근할 가능성이 높다.
• 공간 지역성 (spatial locality): 접근한 메모리 공간의 근처를 접근할 가능성이 높다.

캐시 메모리는 참조 지역성 원리에 따라 사용할 데이터를 예측하고 캐시 적중률을 높임.

Ch07. 보조기억장치

하드 디스크

데이터를 플래터 표면에 자기적으로 저장하는 보조기억장치

• 구성 요소

  • 플래터(pplatter)
    - 회전하는 원판으로, 표면에 데이터를 자기적으로 저장함.
    - 여러 트랙이 있고, 각 트랙은 여러 섹터로 구성됨.
  • 스핀들(spindle)
    - 플래터를 회전시키는 부품
  • 헤드(head)
    - 바늘처럼 생긴 부품으로, 데이터를 읽고 씀.
  • 디스크 암(disk arm)
    - 헤드를 이동시키는 장치

• 플래터의 데이터 저장 단위

  • 트랙 (track): 동심원 형태로 배열된 데이터 저장 단위
  • 섹터 (sector): 트랙을 구성하는 기본 데이터 저장 단위. 트랙의 작은 조각
    하드 디스크의 가장 작은 전송 단위.
  • 실린더 (cylinder): 여러 플래터의 동일한 트랙 번호가 결합된 논리적 단위

• 디스크 접근 동작 순서

  1. 헤드를 해당 트랙으로 이동
  2. 원하는 섹터가 헤드 아래로 회전되어 올 때까지 대기
  3. 데이터 전송

• 디스크 접근 시간
  = 탐색 시간 + 회전 지연 + 전송 시간
  - 탐색 시간 (seek time): 임의의 트랙에서 원하는 트랙으로 헤트를 이동시키는 시간
  - 회전 지연 (rotational latency): 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
  - 전송 시간 (transfer time): 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터 전송 시간

플래시 메모리

전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반 보조기억장치

• NAND 플래시 메모리: 대용량 데이터 효율적 저장. ex) USB 플래시 드라이브, SSD, 메모리 카드
• NOR 플래시 메모리: 주로 실행 코드 저장. ex) 펌웨어, BIOS

• 셀 (cell): 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위
• 셀 구조에 따른 플래시 메모리 종류

	SLC (Single-Level Cell)	MLC (Multi-Level Cell)	TLC (Triple-Level Cell)
셀당 bit	1bit	2bit	3bit
수명	긺	보통	짧음
성능	빠름	보통	느림
가격	높음	보통	낮음

• 플래시 메모리 데이터 저장 단위
  • 페이지: 여러 셀로 구성된 데이터 읽기와 쓰기 단위
  • 블록: 여러 페이지로 구성된 데이터 삭제 및 프로그램 단위
  • 플레인: 여러 블록이 모인 단위
  • 다이: 여러 플레인이 모인 단위

Ch08. 입출력장치

장치 컨트롤러

• 등장 배경

  • 장치의 종류가 매우 다양하여 정보를 주고 받는 방식을 규격화하기 어려움.
  • CPU와 메모리에 비해 I/O장치의 데이터 전송률이 낮음. -> 병목 현상

• 역할

  • CPU와 I/O장치 간의 통신 중개
  • 오류 검출
  • 데이터 버퍼링: 데이터를 버퍼(buffer)에 일시적으로 저장하여 장치 간에 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
    => 전송률이 낮은 I/O장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화

• 구성

  • 데이터 레지스터: CPU와 I/O장치 사이에 주고 받을 데이터가 담기는 레지스터. 버퍼 역할
  • 상태 레지스터: I/O장치의 상태 정보 저장
  • 제어 레지스터: I/O장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령 저장

장치 드라이버

장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있도록 하는 프로그램

• 장치 제어
• 장치와 SW 간의 인터페이스 제공

기본 숙제

p.185 확인 문제 3번

주로 캐시 메모리로 활용된다. ( SRAM )
주로 주기억장치로 활용된다. ( DRAM )
대용량화하기 유리하다. ( DRAM )
집적도가 상대적으로 낮다. ( SRAM )

p.205 확인 문제 1번

레지스터 - 캐시 메모리 - 메모리 - 보조기억장치

추가 숙제

RAID의 정의와 종류 간단히 정리해보기

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

데이터의 안전성과 높은 성능을 위해 여러 하드 디스크나 SSD를 마치 하나의 장치처럼 사용하는 기술

• 등장 배경: 크기가 작은 여러 개의 디스크들을 서로 연결하여 하나의 큰 용량을 가진 디스크 배열을 구성하면 보다 저렴한 가격으로 더 큰 용량을 가진 디스크 서브시스템을 구성할 수 있음.
  => 각 디스크에 데이터를 분산 저장하여 동시 액세스 가능, 병렬 전송으로 데이터 전송 시간 단축
  => 그러나 고장 가능성 증가 (MTTF 단축) *MTTF(Mean Time To Failure): 결함 발생 평균 기간
  RAID는 이를 개선하기 위해(결함 허용도를 높이기 위해) 제안됨.

• 핵심 기술: 검사 디스크(check disk)들을 이용해 오류 검출 및 복구 기능 추가

RAID 레벨

• RAID 0 - 스트라이핑
  데이터를 스트라이핑하여 여러 디스크에 분산 저장하는 방식
  * stripe: 분산되어 저장된 데이터
  장점: 데이터 동시에 읽고 쓰기 가능 -> 읽기, 쓰기 성능 향상
  단점: 데이터 중복 X -> 데이터 보호 X, 신뢰성 낮음.

• RAID 1 - 미러링
  데이터를 미러링하여 동일한 데이터를 두 개에 디스크에 동시에 저장하는 방식
  장점: 신뢰성 향상, 간단한 데이터 복구, 읽기 성능 향상
  단점: 저장 용량 감소(전체 디스크의 절반만 사용), 디스크가 하나일 때와 쓰기 성능 동일

• RAID 4
  블록 레벨 스트라이핑 + 전용 패리티 디스크
  * parity bit: 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보
  * 패리티 디스크: 오류 검출 및 복구에 사용되는 디스크
  장점: 읽기 성능 향상
  단점: 낮은 쓰기 성능 - 쓰기 작업마다 전용 패리티 디스크를 업데이트해야 하므로 여러 쓰기 작업이 동시에 발생하면 병목 현상 발생

• RAID 5
  블록 레벨 스트라이핑 + 분산 패리티. 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식
  장점: RAID 4의 병목 현상 개선 - 패리티 정보가 여러 디스크에 분산 저장되므로 특정 디스크에 병목이 발생하지 않음.
  단점: RAID 4보다 복구 과정 복잡 - 패리티 정보가 분산되어 있으므로 각 디스크에서 정보를 읽어와야 함.

• RAID 6
  블록 레벨 스트라이핑 + 이중 분산 패리티. 두 개의 독립적인 패리티를 두는 방식
  장점: RAID 5의 복구 문제 개선 - RAID 5는 하나의 디스크 고장만 복구할 수 있지만 RAID 6는 두 개의 디스크가 동시에 고장 나도 복구할 수 있음. -> 높은 신뢰성
  단점: RAID 5보다 쓰기 성능 낮음.