[운영체제] 메모리계층

메모리계층

메모리

• CPU가 직접 접근할 수 있는 기억장치
• 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
• 프로그램이 실행되려면 반드시 메모리에 저장되어 있어야 함

 

메모리 계층

• 메모리 관련 세 가지 주요 특성인 용량, 접근 속도, 비용 간의 절충 관계를 파악해 필요에 따라 채택할 수 있게 나타낸 구조
• 컴퓨터의 설계에 있어 각각의 특징이 있는 서로 다른 여러 종류의 저장 장치를 함께 사용하여 최적의 효율을 낼 수 있게 함
• 상황에 맞게 여러 저장 장치를 각각 사용할 수 있도록 하여 저렴하고 성능 좋은 컴퓨터를 구현하는 설계
• 계층구조 아래로 내려갈수록
  1. 비트당 비용 감소
  2. 용량 증가
  3. 접근 시간 증가 (속도 느림)
  4. 처리기에 의한 메모리 접근 횟수 감소
• 계층구조 위로 올라갈수록
  1. 비트당 비용 증가
  2. 용량 감소
  3. 접근 시간 감소 (속도 빠름)
• 특징 표

명칭	위치	접근 속도	기억용량	휘발성 여부
레지스터	CPU 내부	빠름	가장 적음	휘발성
캐시	CPU 내부	빠름	적음	휘발성
메모리	CPU 내부	레지스터와 캐시보다 느림	보통	휘발성
하드디스크	CPU 내부 직접 접근 불가	데이터를 메모리로 이동시켜 접근 가능	많음	비휘발성

 

1. 레지스터

• CPU 내에서 데이터를 기억하는 저장장치
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없으므로 메모리로 직접 데이터를 전송할 수 없음
• 따라서 연산을 위해 반드시 레지스터를 거쳐야 하며 이를 위한 레지스터는 특정 주소를 가리키거나 값을 읽어올 수 있음
• CPU 내에서 처리할 명령어나 연산에 사용할 값이나 연산 결과를 일시적(휘발성)으로 기억
• 프로세서에 위치한 고속 메모리
• 메모리 장치 중 가장 빠름
• 프로세스가 바로 사용할 수 있는 데이터를 담고 있는 영역
• CPU 내부 레지스터 종류

종류	설명
프로그램 계수기 (PC, Program Counter)	다음에 실행할 명령어(instruction)의 주소를 가지고 있는 레지스터
누산기(AC, ACcumulator)	연산 결과 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
명령어 레지스터(IR, Instruction Register)	현재 수행 중인 명령어를 가지고 있는 레지스터
상태 레지스터(SR, Status Register)	현재 CPU의 상태를 가지고 있는 레지스터
메모리 주소 레지스터(MAR, Memory Address Register)	메모리로부터 읽어오거나 메모리에 쓰기 위한 주소를 가지고 있는 레지스터
메모리 버퍼 레지스터(MBR, Memory Buffer Register)	메모리로부터 읽어온 데이터 또는 메모리에 써야할 데이터를 가지고 있는 레지스터
입출력 주소 레지스터(I/O AR, I/O Address Register)	입출력 장치에 따른 입출력 모듈의 주소를 가지고 있는 레지스터
입출력 버퍼 레지스터(I/O BR, I/O Buffer Register)	입출력 모듈과 프로세서 간의 데이터 교환을 위해 사용되는 레지스터

 

2. 캐시 (Cache)

• 얻고자 하는 데이터를 필요한 순간마다 데이터가 저장되어 있는 저장소에서 가져오는 일에 대한 시간을 줄일 때 사용하는 임시 저장소
• 데이터를 미리 복사해놓음
• 자주쓰는 데이터는 계속 자주 쓰인다는 개념을 이용
• 다시 사용할 확률이 높은 것은 더 빠르게 접근 가능한 저장소를 사용한다는 개념
• 중앙처리장치가 주기억장치에서 필요한 데이터를 가져와야 할 때 미리 캐시 기억장치에 저장하여 중앙처리장치가 주기억장치에 접근하는 대신 캐시기억장체서 데이터를 가져오게 함
• 중앙처리장치와 주기억장치 간의 속도 차이 개선을 목적으로 함
• 서버간 불필요한 트래픽을 줄일 수 있음
• CPU와 가까운 위치에 용량을 작게하여 빠른 액세스 가능한 메모리를 두는 것
• 하위 캐시인 경우는 메인보드에 있는 경우도 있음
• 보통 프로그래머가 직접 제어할 수 없으며 CPU에 의해 자동으로 통제됨
• CPU와의 거리에 따라 L1, L2, L3 등 여러 단계로 나뉨
• 사용 경우 :
  • 단순한 데이터(정보)
  • 동일한 데이터를 반복적으로 제공해야하는 경우
  • 데이터의 변경주기가 빈번하지 않고 단위 처리 시간이 오래걸리는 경우
  • 데이터의 최신화가 반드시 실시간으로 이뤄지지 않아도 서비스 품질에 영향을 거의 주지 않는 데이터

종류	설명	CPU 성능에 직접적인 영향
L1 캐시	일반적으로 CPU 칩안에 내장되어 데이터 사용 및 참조에 가장 먼저 사용되는 캐시 메모리, 각 코어마다 가지고 있는 캐시	O
L2 캐시	- L1 캐시 메모리와 용도와 역할이 비슷 - 속도 : L1 캐시 > L2 캐시 > 일반메모리(RAM), 각 코어마다 가지고 있는 캐시	O
L3 캐시	- L1 캐시, L2 캐시와 동일한 원리로 작동 - 대부분 CPU가 아닌 메인보드에 내장, 모든 코어가 공유하는 캐시	X

• 종류
  1. CPU 캐시
     • 대용량의 메인 메모리 접근을 빠르게 하기 위해 CPU 칩 내부나 바로 옆에 탑재
     • 하드웨어를 통해 관리
  2. 디스크 캐시
     • 하드디스크에 내장된 작은 컴퓨터가 소유한 작은 메모리
     • 일종의 기법
  3. 페이지 캐시
     • 운영체제의 메인 메모리를 하드 디스크에 복사해놓는 캐시

 

3. 메인 메모리 (Main Memory)

• 주기억장치
• 컴퓨터에서 수치, 명령, 자료 등을 기억하는 컴퓨터 하드웨어 장치
• 기억된 명령은 한 번에 하나씩 제어장치에 의해 가져와서 해독된 후 신호로 바뀌어 각 장치로 전달
• 주깅거장치와 중앙처리 장치 사이에서 데이터의 이동을 위해 연결된 선들을 버스라고 함
• 주기억장치 구성 : RAM, ROM
• RAM(Random Access Memory)
  • 휘발성 기억 장치
  • 전원이 꺼지면 기억된 내용이 모두 사라지는 메모리
  • CPU가 사용하기 좋도록, 빠른 액세스를 위한 각종 정보를 임시 저장
  • 사용자가 요청하는 프로그램이나 문서를 스토리지 디스크에서 메모리로 로드하여 각각의 정보에 액세스
  • 전원이 유지되는 동안 CPU의 연산 및 동작에 필요한 모든 내용이 저장
  • 전원 종료시 기억된 내용 삭제
  • Random Access : 어느 위치에서든 똑같은 속도로 접근하여 읽고 쓸 수 있다는 의미
  • HDD에 비해 월등히 빠른 속도로 CPU가 정보를 원활히 이용할 수 있도록 함
  • DRAM과 SRAM
    • DRAM (Dynamic RAM) : 동적 메모리
      • 주기억장치는 주로 DRAM을 의미
      • 전원이 계속 공급되더라도 주기적으로 재충전되어야 기억된 내용을 유지할 수 있음
      • 주로 대용량의 기억장치에 사용
      • 가격이 저렴
    • SRAM (Static RAM) : 정적 메모리
      • 전원 공급이 되는 동안은 기록된 내용이 지워지지 않기 때문에 재충전이 필요 없음
      • 접근 속도가 빠르고 가격이 비쌈
      • 주로 캐시메모리나 레지스터로 사용
• ROM(Read Only Memory)
  • 고정 기억 장치
  • 컴퓨터에 지시사항을 영구히 저장하는 비휘발성 메모리
  • 전원 종료시 기억된 내용 유지
  • 주기억장치로 사용되기보다 주로 기본 입력, 출력 시스템, 자가진단프로그램 같은 변경 가능성이 희박한 시스템 소프트웨어를 기억시키는데 이용
  • 변경 가능성이 희박한 기능 및 부품에 사용
    • 소프트웨어 : 초기 부팅 관련 부분
    • 하드웨어 : 프린터 작동에 관여하는 펌웨어 명령 등

 

4. 보조 기억 장치 (Secondary Memory)

• 물리적 디스크가 연결되어 있는 기억장치

4.1 하드 디스크 드라이브 (HDD, Hard Disk Drive)

• 순차접근이 가능한 컴퓨터의 보조기억장치
• 비휘발성
• 뷔휘발성 데이터 저장소 가운데 가장 대중적이며 용량 대비 가격이 가장 저렴
• 물리적으로 동작하여 병목현상으로 인한 속도 저하가 심함
• 하드 디스크, 하드 드라이브, 고정 디스크
• 작동 원리 :
  • 보호 케이스 내부의 플래터를 회전 → 플래터에 자기 패턴으로 정보 기록
  • 플래터 표면의 코팅된 자성체에 데이터 기록
  • 회전하는 플래터 위에 부상하는 입출력 헤드에 의해 자기적으로 데이터 기록 및 조회 가능
• 구성 요소 표

요소	설명
제어회로	하드 디스크의 총괄적인 부분을 제어하는 회로, 제어회로 내부의 버퍼 메모리는 하드 디스크에 입출력될 데이터를 임시 저장함
스핀들 모터 (Spindle Motor)	플래터의 회전을 담당하는 부분
플래터 (Platter)	데이터 기록 담당, 하나의 하드디스크에 한 개 이상 장착, 플래터 수 ↑ → 용량 저장 크기 ↑, 안정성 ↓
액추에이터 (Actuator)	제어회로의 명령에 따라 액추에이터 암 구동 → 헤드가 원하는 데이터 조회 가능
액추에이터 암 (Actuator Arm)	액추에이터를 통해 구동됨, 하나의 디스크에 여러 개 달려 있음, 암의 끝 부분에 입출력을 위한 헤드 달려 있음
헤드(Head)	데이터를 읽고 쓰는 헤드

 

4.2 솔리트 스테이트 드라이브 (SSD, Solid State Drive)

• HDD를 대체하려고 개발된 보조 기억 장치
• 데이터 입력, 출력 속덕 HDD에 비해 매우 빠르고 작고 가벼움
• 컴퓨터 체감 속도를 비약적으로 상승시킴

 

메모리 계층의 필요성

1. 디코딩(명령어 해독 단계) 속도

• 디코딩(Decoding) :
  • 복호화
  • 부호화된 정보를 부호화되기 전으로 되돌리는 처리 방식
  • CPU는 3개의 버스를 통해 메모리에 접근
    1. 주소 전달 버스 : CPU가 메모리의 어느 부분의 데이터를 접근할지 나타냄
    2. 데이터 전달 버스 : 메모리와 CPU 간 데이터 전송
    3. 컨트롤 신호 버스 : CPU의 메모리 접근 여부 표시
  • 주소 전달 버스 및 데이터 전달 버스에 값이 존재하고 컨트롤 신호를 전송한 후 CPU와 메모리 업무 수행
  • 큰 메모리 용량을 사용할 경우 디코딩하는 데 더 많은 시간 소요
  • CPU가 빠르게 데이터에 접근하기 위해서는 데이터를 저장하는 메모리가 작아야 함
  • 속도와 용량의 상호보완을 위해 고안한 방법

 

2. 참조의 지역성

• 참조의 지역성
  • 자주 쓰는 데이터는 계속 자주 쓰임
  • 큰 메모리를 사용한다고 해도 그 안의 모든 데이터를 고르게 접근하지 않음
  • 운영체제·CPU → 자동으로 자주 쓰이거나 쓰일 것 같은 데이터를 메모리에서 캐시로 읽어옴
  • 자주 쓰이는 데이터는 전체 데이터 양에 비해 작은 양
  • 캐시는 메모리보다, 메모리는 하드디스크보다 더 작아도 됨
  • 프로세서가 필요로 하는 데이터를 최대한 가까운 곳에 위치시켜 속도를 향상시키는 것

 

3. 경제성

• 경제성
  • 메모리 구조에서 상층에 갈수록 가격이 상승함
  • 메모리 계층 구조의 모양이 피라미드인 이유
    • 비싼 하드웨어는 꼭 필요한 만큼의 크기만 사용
    • 싼 하드웨어를 넉넉한 크기만큼 사용