[컴퓨터 구조] 저장장치 메인 메모리

이 글은 패스트캠퍼스의 현실 세상의 컴퓨터공학 지식 with 30가지 실무 시나리오 초격차 패키지 Online.를 보고 공부한 내용을 정리한 글입니다.

저장장치

저장장치의 특성은 간단하다 CPU와 멀어질 수록 속도 ↓ 비용 ↓ 용량 ↑ 의 특징을 가진다.

그렇기 때문에 CPU와 가장 가까운 저장장치인 레지스터의 경우 매우 빠른 속도를 가지지만 용량대비 비싼 비용을 가진다.

메인 메모리

메인 메모리에는 두 가지의 하드웨어가 있다.

• RAM(Random Acces Memory)
• ROM(Read Only Memory)

메인 메모리는 위처럼 두 가지가 있지만 흔히 메모리라고 칭하는 용어는 RAM을 가르킨다.

RAM(Random Acces Memory) : 휘발성 저장장치

RAM은 실행중인 프로그램이 담겨있는 저장장치로서 전원을 끄면
저장된 데이터가 모두 날아가는 특징을 가지고 있다.

RAM은 실행중인 프로그램을 저장하고 있으므로 흔히 책상에 비유되곤한다.

책상(메모리)이 크면 클 수록 한 번에 읽어들일 수 있는 책(데이터)의 수가 많아진다.

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RAM 종류는 4가지가 있다.

• DRAM (Dynamic Ram)
• SRAM (Static RAM)
• SDRAM (Synchromous Dynamic RAM)

DRAM과 SRAM

DRAM(Dynamic Ram)

• 시간이 지나면 점차 저장된 데이터가 사라지는 RAM
• 전원이 연결되어 있어도 지속적으로 데이터가 사라지므로 계속 재충전 해줘야함
• 메인 메모리에서 주로 사용되는 RAM

SRAM(Static RAM)

• 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않는 RAM
• 캐시 메모리에서 주로 사용되는 RAM

SDRAM과 DDR SDRAM

SDRAM(Synchromous Dynamic RAM)

• 클럭과 동기화된 DRAM
• 클럭의 타이밍에 맞춰 CPU와 정보를 주고받을 수 있는 RAM
• DRAM보다 성능이 좋음

DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM)

• SDRAM에서 대역폭을 넓혀 속도를 높인 RAM
• DDR2 SDRAM은 DDR SDRAM보다 2배 더 대역폭이 넓으며 DDR3 SDRAM은 DDR2 SDRAM보다 2배 더 대역폭이 넓다.
• DDR뒤에 숫자가 커질 수록 성능이 배로 좋아진다고 생각하면 된다.

ROM(Read Only Memory) : 읽기 전용 저장장치

• 읽기만 가능한 저장장치이다.
• 수정이 번거롭거나 불가능하다.

ROM의 종류는 다음과 같다

• Mask Rom : 가장 기본적인 ROM , 제조 과정에서 저장할 내용을 미리 기록 ex) 냉장고, 전자레인지, 텔레비전, 게임기
• PROM(Programmble ROM) : 사용자가 데이터를 한 번 새길 수 있는 ROM
• EPROM(Erasable PROM) : 지우고 다시 저장가능한 PROM
• 플래시 메모리 : 반도체 기반의 저장장치, 메인 메모리에 범주에 속한다기보다는 범용성이 넓은 저장장치 ex) USB , SD카드, SSD

메모리 저장방식

CPU가 메모리에 데이터를 저장하는 방식에는
리틀엔디안과 빅엔디안 방식이 있다.

엔디안

• 연속해서 저장해야 하는 바이트를 저장하는 순서
• 나라마다 글을 읽는 순서가 다르듯, 메모리에 바이트를 밀어넣는 순서도 다름.
• 리틀 엔디안과, 빅 엔디안 방식이 있음.

빅 엔디안

• 낮은 번지 주소부터 상위 바이트부터 저장하는 방식
• 여기서 말하는 상위 바이트란 수를 이루는 가장 큰 값(가장 높은자릿수 MSB)
• 1A2B 3C4D를 저장한다하면 낮은 주소 번지부터 1A, 2B, 3C, 4D순으로 저장

리틀 엔디안

• 낮은 번지 주소부터 하위 바이트부터 저장하는 방식
• 여기서 하위 바위트란 수를 이루는 가장 작은 값(LSB)
• 1A2B 3C4D를 저장한다하면 낮은 주소 번지부터 4D, 3C, 2B, 1A 순으로 저장

두 엔디안의 장단점

빅 엔디안

• 일상적으로 쓰는 숫자 체계의 순서와 동일하므로 편리

리틀 엔디안

• 수치 계산(자리 올림 등)이 편리 (뒷자리에서부터 계산하므로)

CPU가 메모리에 접근하는 방식

CPU가 알맞은 메모리에 접근하여 데이터를 얻어오려면 올바른 주소를 알고 있어야 한다.

하지만, 실행중인 프로그램이 가지는 주소는 일정하지 않고 시시때때로 바뀔 수 있다.
즉 같은 프로그램을 두 번 실행하여도 다른 메모리에 적재될 수 있다.

이러한 문제를 가지는 상황에서 CPU는 어떤 주소체계를 사용하여 메모리에 접근하냐 하면
논리 주소와 물리 주소를 이용할 수 있다.

논리 주소와 물리 주소

물리 주소 : 실제 메모리의 하드웨어에서 상의 주소 논리 주소 : CPU 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소 (0번지부터 시작)

모든 프로그램은 0번지부터 시작하는 각자의 논리 주소를 사용한다.

이렇듯 프로그램 각자가 가진 논리 주소를 물리 주소로 변환해야만 CPU는 메모리에 올바르게 접근할 수 있다.
이때 주소를 변환해주는 장치를 MMU(Memory Management Unit)라고 한다.

MMU의 기본 동작

• 주소 변환은 베이스 레지스터를 활용한다.
• 베이스 레지스터 = 기존 주소(물리 메모리상 첫 주소)
• 논리 주소 = 기존 주소로부터 떨어진 거리
• 즉 프로그램마다 첫 주소를 알아내어 논리 주소를 더함으로서 물리 주소를 알아낸다.

추가로 한계 레지스터라는 것도 있는데 이것은 프로그램의 크기를 나타내며 주소 변환시 물리 주소를 알아낼 때 프로그램 주소를 벗어나는것을 방지해준다.

캐시 메모리

• CPU와 메모리 간의 속도 차를 극복하기 위해 탄생
• CPU와 메모리 사이에 위치, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반
• CPU에서 사용할 법한 정보를 미리 가져와 저장

캐시 메모리 단계

캐시 메모리는 CPU와의 거리로 여러 단계로 나눌 수 있음

• L1(Level 1) 캐시 메모리 : CPU와 더 가까우며 용량이 작음
• L2(Level 2) 캐시 메모리
• L3(Level 3) 캐시 메모리 : CPU와 멀고 용량이 큼

캐시 메모리에 저장되는 데이터

캐시 메모리는 CPU가 자주 사용할 법한 내용을 예측하여 저장한다.

예측을 하는 방법은 두 가지의 참조 지역성의 원리를 따른다.

• 시간 지역성 : CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있음
• 공간 지역성 : CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.