컴퓨터구조 기억장치의 분류와 특성

기억장치

• 컴퓨터에서 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 장치
• 전자적 수단에 의해 기억 및 기록 능력을 실현시키는 장치/소자
• 2진 정보의 쓰기/읽기/검색이 가능한 다수의 메모리 셀로 구성된 디지털 시스템

 

기억장치 구분

• 주기억장치 main memory
  • CPU 레지스터, RAM, ROM
  • 휘발성 volatile -> 일반적으로 memory 라는 표현을 많이 씀
• 보조저장장치 auxiliary storage device
  • HDD, SSD
  • 비휘발성 nonvolatile -> 일반적으로 storage 라는 표현을 많이 씀

 

액세스 Access 방법

• 순차적 sequential 액세스
  
  • 배열
  • 데이터를 처음부터 자쳬대로 탐색
  • 자기테이프
  • ARM을 이용
  • SASD
• 직접 Direct 액세스
  • 블록의 근처로 직접 이동해 순차적 탐색
  • 자기 디스크, CD ROM
  • DASD
• 임의 random 액세스
  
  • 저장 위치에 관계 없이 접근 시간이 동일
  • 기억장치 내 모든 저장 위치가 고유의 주소를 가짐
  • 별도의 읽기 쓰기 회로를 가짐
  • 직접 주소 지정 가능
  • RAM
• 연관 associative 액세스
  • random 액세서의 변형 
  • 기억장소에 key 값에 해당하는 비트 저장
  • 비트와 key를 비교해서 탐색
  • 모든 기억장치의 key를 비교할 수 있는 하드웨어를 가지고 있음
  • 비용이 많이 듬
  • 캐시

 

기억장치 시스템 설계 고려사항

• 주요 특성은 용량(capacity)와 액세스 속도 (access speed)
• 용량을 나타내는 단위는 바이트(byte: 1바이트 = 8비트)
• 액세스 속도와 관련된 파라미터
  • 액세스 시간 access time
  • 기억장치 사이클 시간 memeory cycle time
  • 데이터 전송률 data transfer rage
    • 1/액세스 시간 * 한번에 읽혀지는 데이터의 바이트 수(word)

 

물리적 재료에 의한 분류

• 반도체 기억장치 Semiconductor memory
  • 메모리 
    • RAM, ROM 등
  • 비메모리
    • CPU, AP, MCU 등
• 자기 표면 기억장치 Magnetic surface memory
  • 디스크, 테이프 등
• 광 저장장치 Optical storage device

 

계층적 기억장치 시스템

• 액세스 속도가 높아질수록, 비트당 가격도 높아진다.
• 용량이 커질수록 비트당 가격은 낮아진다.
• 용량이 커질수록 액세스 속도는 낮아진다.

 

반도체 기억장치

 

RAM Random Access Memory 

• 임의 액세스 방식을 이용하는 반도체 기억장치
• 데이터 읽기와 쓰기가 모두 가능
• 휘발성
• 칩 내의 어느 위치에 있든 액세스에 걸리는 시간 동일

 

DRAM dynamic RAM

• 캐패시터 이용
• 주기적 재충전 refresh 필요
• SRAM 대비 고집적, 저속, 저가
• 주로 Main memory
• SDRAM Synchronous DRAM, RDRAM Rambus DRAM, DDR Double Data Rate SDRAM

 

SRAM Static RAM

• 래치 회로(플립-플롭) 이용
• 전력이 공급되는 동안 데이터 유지 가능
• 저집적, 고속, 고가
• CPU 캐시, 내부 레지스터 등에 사용

 

ROM Read only memory

• 읽는 것만 가능, 비휘발성
• 주로 저장 되는 내용
  • 시스템 초기화 및 진단 프로그램
  • 번번히 사용되는 함수들과 서브루틴들
  • 제어 유니트의 마이크로 프로그램
• MROM Maks ROM, PROM Programable ROM, EPROM Erasable PROM, EEPROM Electrically EPROM, Flash (NAND, NOR)

 

반도체 기억장치 종류 별 특징

 

캐시 메모리

• CPU와 주기억장치의 속도 차이로 인한 병목 현상을 완화하기 위해 사용
• 프로그램에서 직접적으로 읽거나 쓸 수 없고 하드웨어의 메모리 관리 시스템이 내부적으로 제어

 

캐시 적중 Cache hit

• 캐시 적중률 hit ratio
  • H = 캐시에 적중되는 횟수 / 전체 기억장치 액세스 횟수
• 캐시 적중 Hit
  • CPU가 데이터를 요청하여 캐시 메모리에 접근했을 때 캐시 메모리가 해당 데이터를 가지고 있는 경우
• 캐시 미스 miss
  • CPU가 액세스하려는 데이터가 캐시에 없어서 주기억장치로부터 인출해 와야 하는 상태

 

지역성

• CPU가 주기억장치의 특정 위치에 저장되어 있는 명령어들이나 데이터를 빈번히 혹은 집중적으로 액세스하는 현상
• 어떤 데이터가 참조되면, 참조된 그 지역 및 시간 근처에서 다시 참조될 가능성이 높다는 원리
• 분류
  • 시간적 지역성 Temporal locality
    • 최근에 접근했던 데이터들을 프로세서 가까이에 위치
  • 공간적 지역성 Spatial locality
    • 최근에 접근했던 데이터와 인접한 데이터들을 블록화
  • 순차적 지역성 Sequential locality
    • 분기가 발생하지 않는 한 명령어들은 순서대로 실행

 

캐시 설계의 목표

• 캐시 적중률의 극대화
• 캐시 액세스 시간의 최소화
• 캐시 실패에 따른 지연시간의 최소화
• 주기억장치와 캐시간의 데이터 일관성 유지 및 그에 따른 오버헤드의 최소화

 

캐시 인출 방식

• 요구 인출 Demand fetch 방식
  • 캐시 미스가 발생한 경우에 CPU가 필요한 정보만 주기억장치로부터 캐시로 인출해오는 방식
• 선인출 prefetch 방식
  • CPU가 필요한 정보 외에도 그와 인접해 있는 정보들을 함께 캐시로 인출해 오는 방식