컴퓨터 기억장치 시스템 개요

개요

메모리의 역할

프로그램 명령이나 데이터를 저장한다.
프로그램은 메모리에서 활동 중이다.
- 따라서, 메인 메모리가 클수록 동시에 많은 프로그램을 실행할 수 있다.
- 메인 메모리: RAM, Cache

메인 메모리의 수행작업

현재 실행 중인 프로그램들을 저장한다.
메모리의 각 영역은 서로 침범하지 못하도록, 시스템 소프트웨어 프로그래머가 정한다.

기억장치의 계층구조

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기억장치의 주요 특성

주요 특성들

Location (위치)
Capacity (용량)
Unit of Transfer (전송 단위)
Access Method (데이터 접근 방식)
Performance (성능)
Physical Type (물리적 유형에 따른 기억장치)
Physical Characteristics (기억장치의 물리적인 특징)

Location: 위치

내부기억 장치
외부기억 장치

위 두가지 위치로 기억장치가 구분된다.

Capacity: 용량

내부 기억장치의 용량
- 바이트 또는 단어 단위로 표현한다.
- 일반적인 단어의 길이: 8, 16, 32 비트
- 단어 = 메모리의 폭(너비)
버스의 대역폭 역시 단어의 길이만큼 넓어한다.
외부 기억장치의 용량
- 일반적으로 바이트 단위로 표현한다.

Unit of Transfer: 전송 단위

내부 기억장치에서의 전송 단위
- 기억장치 모듈로의 데이터 선들의 개수(Data Bus) 와 같다.
- 주기억장치에 있어서, 전송 단위는 한번에 읽고 쓸수있는 비트의 수이다.
외부 기억장치에서의 전송 단위
- 단어보다 훨씬 더 큰 단위인 블록단위를 사용한다.

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단어 (word)
- 기억 장치 조직의 단위
- 단어의 길이
  - 일반적으로 수를 표현하기 위해 사용되는 비트의 수
  - 명령어의 길이
주소지정 단위
- 주소의 길이 A비트와 주소지정 단위의 수 N간의 관계
- - A : 주소의 길이
  - N : 단어의 개수
- 예시
  - 단어의 개수 = 1024 일때의 단어의 길이(A) 는?
  - $2^{A}=1024$ 이므로, $A=10$

Access Method: 데이터 접근 방식

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Performance: 성능

액세스 시간 성능
- 임의 액세스 기억장치 (Cache, M.M 등의 반도체 장치)
  - 액세스 시간: 주소가 기억장치에 도착하는 순간부터 저장되거나 읽혀지는 순간까지의 시간
  - 액세스 시간이 모든 기억장소에 대해서 동일하다.
- 비임의 액세스 기억장치 (HDD, Tape 등)
  - 액세스 시간: 읽기-쓰기 매커니즘을 원하는 위치로 이동하는데 걸리는 시간
  - 데이터가 저장되어 있는 위치에 따라 다르다.
  - 예시(HDD)
기억장치 사이클 시간
- 주로 임의 액세스 기억장치에 적용된다.
- 액세스 시간과 다음 액세스를 시작하기 위해 요구되는 동작에 걸리는 추가적인 시간을 합한 시간
전송률 성능
- 데이터가 기억장치로 전송되어 들어가거나 나오는 비율
- 임의 액세스 기억장치
  - $Transfer_Rate=\frac{DataBus_Bandwidth}{Cycling_Time}$
- 비임의 액세스 기억장치
  - $T_N = T_A + \frac{n}{R}$
  - 전송율 = $\frac{1}{T_N}$
  - $T_N$ : N개의 비트들을 읽거나 쓰는데 걸리는 평균 시간
  - $T_A$ : 평균 액세스 시간
  - $n$ : 비트들의 수
  - $R$ : 전송률, 초당 비트수

Physical Type: 물리적 유형에 따른 기억장치

반도체
- RAM, Cache, Register, SSD
자기
- Disk, Tape
광
- CD, DVD

Physical Characteristics: 기억장치의 물리적인 특징

휘발성 여부
삭제 가능 여부
- ROM의 경우, 데이터 삭제가 불가능하다.

기억장치 시스템

기억장치 설계시 고려사항

주요 고려사항

얼마나 큰가
얼마나 빠른가
가격은 얼마나 비싼가

기억장치 주요 특성들 간의 Tradeoff

액세스 속도 ↑ , 비트당 가격 ↑
용량 ↑ , 비트당 가격 ↓
용량 ↑ , 액세스 속도 ↓

이러한 트레이드오프 관계를 해결하기 위해 계층적인 기억장치를 사용한다.

계층적인 기억장치

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기억장치 종류와 액세스 시간

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기억장치의 효용성

효용성 계산 예시 문제

문제
- 프로세서가 두 레벨의 기억장치를 액세스한다고 가정하자.
- 레벨 1은 1,000개의 단어를 저장하며 액세스 시간은 0.01ms이다.
- 레벨 2는 100,000 개의 단어를 저장하며 액세스 시간은 0.1ms이다.
- 만약 액세스될 단어가 레벨 1에 있다면, 프로세서는 그 단어를 직접 액세스한다.
- 만약 액세스될 단어가 레벨 2에 있다면, 먼저 레벨 1로 이동된 다음에 프로세서에 의해 액세스된다.
- 이때 기억장치 액세스의 95%가 레벨 1에서 발견된다고 가정할 때, 그 단어를 액세스하는 데 걸리는 평균 시간은?

해결
- 해당 단어 평균 접근 시간 = (레벨1에 있을 확률 * 레벨1의 액세스 시간) + (레벨2에 있을 확률 * (레벨1의 액세스 시간 + 레벨2의 액세스 시간))
- 해당 단어 평균 접근 시간 $R$

기억장치의 성능 개선 원리

참조의 지역성

프로그램 동작의 특성
- 대부분의 경우 순차적으로 프로그램이 진행되므로, 바로 전에 인출된 마지막 명령어의 다음 명령어가 인출된다.
  
  프로그램이 실행되는 동안 순차적이지 않은 분기/호출 명령은 작은 부분을 차지한다.
- 짧은 시간 동안에 몇 개의 프로시저(함수)들로 국한된 명령어들을 참조한다.
  - 즉, 한정된 수의 프로시저(함수)를 계속 호출하면서 실행하는 경향이 있다.
- 대부분의 반복 구조는 여러 번 반복되는 비교적 적은 수의 명령어들로 구성되어 있다.
- 대부분의 프로그램들에는 “배열 또는 레코드와 같은 데이터 구조를 처리하는 계산”이 많이 포함된다.
  - 즉, 서로 인접한 데이터에 대해 처리하는 로직이 많이 존재한다.
- 이러한 특징을 참조의 지역성이라고 한다.
- 참조의 지역성을 최대한으로 활용하면 Cache에 원하는 Data나 명령어가 존재할 확률을 높일 수 있다.

참조의 지역성을 고려한 Cache와 Main Memory 동작 방식

공간적 지역성

공간적 지역성이란?
- 실행들이 특정 클러스터의 기억 장소들에 대하여 이루어지는 경향
- (프로세스가 명령어들을 순차적으로 액세스하는 경향)
- 즉, 명령어 A 실행시 물리적으로 인근에 있는 명령어를 다음에 실행할 가능성이 높다.

시간적 지역성

시간적 지역성이란?
- 프로세서가 최근에 사용되었던 기억 장소들을 액세스 하는 경향

기억장치 동작과 성능

기억장치의 동작

상위 단계 기억장치(M1)은 하위 단계 기억장치(M2)보다 용량이 더 작고, 빠르고, 비트당 가격이 비싸다.
M1은 용량이 큰 M2의 내용의 일부분을 저장하는 임시 저장장치로 사용된다.
먼저 M1에 있는 항목을 액세스하려고 시도하되, 성공(Hit, 적중률)하면 액세스가 이루어진다.
성공하지 못하면, 기억장치의 한 블록이 M2에서 M1으로 복사되며, 그런 다음 액세스는 M1을 경유하여 이루어진다.

Hit: M1(캐시)에 원하는 데이터나 명령어가 존재하는 경우

기억장치의 성능

비용적 성능
- - $C_S$ : 결합된 2단계 기억장치의 비트당 평균 비용
  - $C_1$ : 상위 단계 기억장치 M1의 비트당 평균 비용
  - $C_2$ : 하위 단계 기억장치 M2의 비트당 평균 비용
  - $S_1$ : M1의 크기
  - $S_2$ : M2의 크기
- $C_S$ 와 $C_2$ 가 근접하는 것이 바람직하다.
- $C_1>>C_2$ 일때는, $S_1<<S_2$ 가 되어야 한다.

액세스 시간 (T_s)
- ![T_s=HT_1+(1-H)(T_1+T_2)=T_1+(1-H)T_2](https://latex.codecogs.com/svg.image?T_s=HT_1+(1-H)(T_1+T_2)=T_1+(1-H)T_2)
  - $T_1$ : M1의 액세스 시간
  - $T_2$ : M2의 액세스 시간
  - $H$ : 적중률(Hit, 참조가 M1에서 발견되는 비율)
- $T_S$ 와 $T_1$ 가 근접하는 것이 바람직하다.
- $T_1<<T_2$ 일때는 적중률이 1에 가까워야 한다.
- M1의 최적 사이즈 조건
  - 가격을 낮추기 위해서는 M1의 용량이 작아야 하고, 적중률과 성능을 개선하기 위해서는 용량이 커야 한다.