6장 메모리와 캐시 메모리

06-1) RAM의 특징과 종류

• RAM의 하드웨어적 특성과 종류에 대해 알아보기

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• 특징
  • 휘발성 저장 장치 : 전원을 끄면 메모리의 데이터와 명령어가 모두 날아감

• 용량과 성능
  • RAM 용량이 크면 보조기억장치에서 데이터를 자주 가져올 필요가 없다.
  • RAM 용량이 크면 많은 프로그램들을 동시에 빠르게 실행하는데 유리함
  • 하지만 필요 이상으로 커졌을 때 속도가 그에 비례하여 커지는 것은 아님

• 종류
  • DRAM (Dynamic RAM)
    • 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라지는 RAM
    • 소비 전력이 비교적 낮고 저렴하고 집적도가 높아 대용량으로 설계하기 용이함
  • SRAM (Static RAM)
    • 저장된 데이터가 변하지 않는 RAM
    • SRAM은 DRAM에 비해 집적도가 낮고, 소비전력도 크고, 가격도 비싸다
  • SDRAM(Syncronous Dynamic RAM)
    • 클럭 신호화 동기화된 형태의 DRAM
    • 클럭에 맞춰 동작하며 클럭마다 CPU와 정보를 주고받을 수 있는 RAM이다.
  • DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM)
    • 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM
    • SDRAM보다 대역폭이 두 배 넓음

06-2) 메모리의 주소 공간

• 주소의 두 종류
  • 물리 주소 : 메모리 하드웨어가 사용하는 주소
  • 논리 주소 : CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소

• 논리 주소와 물리 주소 간의 변환은 CPU와 주소 버스 사이에 위치한 메모리 관리 장치 (MMU)라는 하드웨어에 의해 수행
  • MMU는 CPU가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환
  • 베이스 레지스터는 프로그램의 가장 작은 물리 주소, 즉 프로그램의 첫 물리 주소를 저장하는 셈

• 메모리 보호 기법
  • 다른 영역의 메모리를 침범하지 않게 한계 레지스터를 통해 논리 주소의 최대 크기를 지정한다.
  • CPU가 접근하려는 논리 주소는 한계 레지스터가 저장한 값보다 커서는 안된다.
  • 만약 접근하려고 하면 인터럽트(트랩)를 발생시켜 실행을 중단한다.

 

06-3) 캐시 메모리

• CPU가 메모리에 접근하는 시간은 CPU의 연산 속도보다 느리다.
  • 메모리에 접근하는 시간이 느리면 CPU 연산이 아무리 빨라도 소용이 없다.
  • 이를 극복하기 위한 장치가 캐시 메모리이다.

• 저장 장치 계층 구조
  • 저장 장치는 일반적으로 다음과 같은 명제를 따른다.
    1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
    2. 속도가 빠른 저장장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비싸다.
  • CPU에 얼마나 가까운가를 기준으로 계층을 나눈게 저장 장치 계층 구조이다.
  • 지금까지 배운것을 바탕으로는 레지스터 - 메모리 - 보조기억장치 순이다.

• 캐시 메모리
  • CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 느리다.
  • 캐시메모리는 CPU와 메모리 사이에 위치한 SRAM 기반의 저장 장치다.
  • CPU(코어)와 가장 가까운 캐시 메모리를 L1캐시, 그다음으로 L2 -> L3 캐시 순이다.

• 참조 지역성 원리
  • 캐시 메모리는 CPU가 사용할 법한 대상을 예측하여 저장한다.
  • 캐시 메모리 내 데이터가 CPU에서 활용될 경우를 캐시 히트라고 한다.
  • 반대로 예측이 틀리는 경우를 캐시 미스라 한다.
  • 캐시 적중률 = 캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)
  • 캐시 메모리가 메모리부터 가져올 데이터를 결정하는 원칙이 참조 지역성의 원리이다.
    • CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
    • CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.