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6. 메모리와 캐시 메모리(컴퓨터의 4가지 핵심 부품-메모리)

RAM의 특징과 종류

<aside> ☝🏻 저장 장치에는 휘발성 저장 장치와 비휘발성 저장 장치가 있다. 전원을 끄면 저장된 내용이 사라지는 장치가 휘발성 저장 장치이고, 전원을 꺼도 내용이 남아있는 장치가 비휘발성 저장 장치이다. 휘발성 저장장치는 RAM, 비휘발성 저장장치는 HDD, SSD, CD-ROM, USB에 해당된다.

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1. RAM의 용량과 성능

   → 용량이 크면 빠르게 실행하는 데 유리함. 근데 비쌈.

   • 책에는 없는 내용인데, 시중에 나와있는 SDRAM에는 동작 클럭이 있다. 이 동작 클럭이 메모리의 동작 속도를 나타낸다. 그래서 동작 클럭에 폭(DDR4 = 16, DDR3 = 8, …)을 곱하면 대역폭이 된다. 이론상으로는 그렇다. 왜 시중에선 DDR4나 DDR3나 둘 다 8을 곱하는진 모르겠다.

2. RAM의 종류

   1. DRAM: 데이터가 동적으로 변하는 RAM(메모리(주기억장치)로 사용)

      → 데이터의 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화함.

   2. SRAM: 데이터가 변하지 않는 RAM(캐시 메모리로 사용)

   3. SDRAM: 클럭 신호와 동기화된 DRAM

      → SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, DDR4 SDRAM, DDR5 SDRAM이 이에 해당됨(뒤 SDRAM이 전 SDRAM의 대역폭에 비해 두 배 향상)

   

메모리의 주소 공간

<aside> ☝🏻 CPU와 실행 중인 프로그램은 현재 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 다 알지 못 한다. 메모리에 저장된 정보는 시시각각 변하며, 같은 프로그램을 껐다 켜도 적재되는 주소가 계속 변한다. 그렇다보니 물리 주소를 굳이 어렵게 알 필요가 없이 MMU(메모리 관리 장치)를 통해 물리 주소와 논리 주소와의 변환이 필요하다.

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1. 물리 주소와 논리 주소의 이해

   1. 물리 주소: 메모리 하드웨어가 사용하는 주소

   2. 논리 주소: CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소

      

   • 메모리 관리 장치(MMU): CPU와 주소 버스 사이에 위치하여 두 주소를 변환하는 장치

     → CPU의 베이스 레지스터와 논리주소를 MMU를 통해 더해 접근

     • 의문이 있다. 베이스 레지스터는 CPU에 있으니 CPU에서 다 연산하고 접근하면 되는데, 왜 MMU라는 장치가 필요하지..?

     

2. 메모리 보호 기법

   → 한계 레지스터를 통해 논리 주소의 범위를 제한하는 방식. 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근하면 인터럽트(트랩)을 발생시켜 실행을 중단함.

캐시 메모리

<aside> ☝🏻 [저장 장치 계층 구조(메모리 계층 구조, Memory Hierarchy)] CPU에 얼마나 가까운가를 기준으로 계층적으로 나타낸 구조. 높을 수록 속도가 빠르고, 용량이 작고, 비쌈.

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1. 캐시 메모리

   → CPU와 메모리 사이에 위치하며, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치(범용 메모리)

   • 캐시 메모리는 L1, L2, L3 캐시 메모리로 이루어지며 L1에서 차례로 CPU로부터 멀어진다.
   • 분리형 캐시라고 해서 L1 캐시를 L1D(데이터 저장)와 L1I(명령어 저장)으로 나누는 캐시 형태도 있다.

2. 참조 지역성 원리

   → CPU가 사용할 법한 내용 예측해 저장하는 원리

   a. ‘CPU의 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향’ 이용 - 시간 지역성

   → 변수는 한 번 정의되면 적어도 여러 번은 사용된다(프로그래밍 예시 생각). 그러므로 여러 번 접근될 것임을 인지하고 저장하는 것.

   b. ‘CPU의 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향’ 이용 - 공간 지역성

   → 프로그램은 보통 관련 데이터들끼리 한데 모여 있다. 그러므로 그 주변을 다 저장하는 것

   • 캐시 적중률: 캐시가 히트되는 비율

     <aside> ✌🏻 캐시 적중률: 캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)

     캐시 적중할 경우 캐시 히트, 캐시 적중 못 할 경우 캐시 미스

     </aside>

7. 보조기억장치(컴퓨터의 4가지 핵심 부품-보조기억장치)

• [메모리에 대한 추가 지식]

다양한 보조기억장치

1. 하드 디스크(자기 디스크)

   → 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치(자기 디스크)

   ***사진첨부

   a. 플래터를 다루는 구성 요소: 스핀들, 헤드, 디스크 암

   • 스핀들(Spindle): 플래터를 회전시키는 구성 요소, 스핀들이 플래터를 돌리는 속도를 RPM(Revolution Per Minute)으로 표현한다.
   • 헤드(Head): 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소, 플래터 위에서 미세하게 떠 있으며, 양면 플래터를 사용할 시 위아래로 플래터당 두 개의 헤드를 사용한다.
   • 디스크 암(Disk Arm): 원하는 위치로 헤드를 이동시키는 구성 요소

   

   b. 데이터가 저장되는 구성 요소: 플래터, 트랙, 섹터, 실린더

   • 플래터: 실질적으로 데이터가 저장되는 원판 형태

   • 트랙: 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그 중 하나의 원

   • 섹터: 트랙을 피자 조각으로 나누었을 때 그 중 하나의 조각

   • 실린더: 같은 트랙끼리 연결한 원통 모양의 플래터들의 공간

     → 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록되며, 디스크 암을 움직이지 않고 데이터에 접근하여 속도를 높인다.

   

   c. 데이터에 접근하는 시간(Data Access Time): 탐색 시간, 회전 지연, 전송 시간

   • 탐색 시간: 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간

     

   • 회전 지연: 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간

     

   • 전송 시간: 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

     

   → 이는 성능에 정말 큰 영향을 끼치는 시간이며, 해당 시간을 단축하기 위해 참조 지역성과 같은 빠르게 접근할 수 있는 방법이 필요하다.

   

   제프 딘 - 프로그래머가 꼭 알아야 할 컴퓨터 시간들

   • 단일 헤드 디스크(이동 헤드 디스크): 플래터 한 면당 헤드가 하나씩 달려 있는 하드 디스크
   • 다중 헤드 디스크(고정 헤드 디스크): 플래터 여러 면에 헤드가 각각 달려 있는 하드 디스크

2. 플래시 메모리

   → 전기적으로 메모리를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치

   • ROM에도 사용되며, SSD, USB, SD가 모두 플래시 메모리 기반의 보조기억장치이다.

   a. 플래시 메모리의 종류: SLC, MLC, TLC, QLC(기준: 하나의 셀에 몇 비트를 저장할 수 있냐?)

   • SLC(Single Level Cell): 한 셀로 1비트(두 가지 정보)를 표현할 수 있는 메모리, 빠른 입출력과 긴 수명을 가졌지만 정말 비싸다. 고성능의 빠른 저장 장치에 SLC가 쓰인다.
   • MLC(Multiple Level Cell): 한 셀로 2비트(네 가지 정보)를 표현할 수 있는 메모리, SLC에 비해 느리고 수명이 짧지만 대용량화에 유리하다. 시중에서 많이 사용된다.
   • TLC(Triple Level Cell): 한 셀로 3비트(여덟 가지 정보)를 표현할 수 있는 메모리, 저가의 대용량 저장 장치에 많이 사용된다.

   

   b. 플래시 메모리의 저장 단위: die > plane > block(삭제 단위) > page(읽고 쓰는 단위) > cell

   • 페이지는 세 개의 상태를 가진다. Free(새로운 데이터 저장 가능한 상태), Valid(이미 유효한 데이터 저장된 상태), Invalid(유효하지 않은 데이터 저장된 상태)
   • 삭제 단위와 읽고 쓰는 단위가 달라 이를 해결할 기능이 필요함

   

   c. 가비지 컬렉션: 쓰레기값을 정리하기 위해 가진 기능

   → Valid 페이지만 복사해서 새로운 블록을 만듦

   → 기존 블록을 삭제