컴퓨터 구조 - 기억장치 (2025 11 04)

1. 기억장치의 분류와 특성

기억장치 엑세스 memory access

CPU가 어떤 정보를 기억장치에 쓰거나 기억장치로부터 읽는 동작

 

기억장치의 액세스 유형

• 순차적 액세스 sequential access
  저장된 정보를 처음부터 순서대로 액세스하는 방식
• 직접 액세스 direct access
  액세스할 위치 근처로 직접 이동한 다음에, 순차적 검색을 통하여 최종 위치에 도달하는 방식
• 임의 액세스 random access
  주소에 의해 직접 기억 장소를 찾아 액세스 하며, 어떤 기억 장소든 액세스하는 시간이 동일
• 연관 액세스 associative access
  저장된 내용의 특정 비트들을 비교하여, 일치하는 내용을 액세스

기억장치의 설계 / 전송단위 / 주소지정 단위

기억장치 시스템을 설계하는 데 있어서 고려해야 할 주요 특성들

• 용량
• 액세스 속도

전송단위

CPU가 한 번의 기억장치 액세스에 의해 읽거나 쓸 수 있는 비트 수

• 주 기억장치 : 단어 단위
• 보조저장장치 : 블록(512b or 1k byte)단위

주소지정 단위

주소가 지정된 각 기억 장소당 저장되는 데이터 길이

• 바이트 단위 혹은 단어 단위 -> 주소비트의 수 A와 주소지정 단위의 수 N과의 관계 = 2^A = N

액세스 속도와 관련된 파라미터들

액세스 시간

주소와 쓰기/읽기 신호가 도착한 순간부터 데이터 액세스가 완료되는 순간까지의 시간

 

데이터 전송률

기억장치로부터 초당 액세스 되는 비트 수

=(1 / 액세스 시간) X (한 번에 읽혀지는 데이터 비트 수)

1 / 액세스 시간 => clock speed

 

기억장치의 유형

기억장치의 제조 재료에 따른 유형

• 반도체 기억장치
  반도체 물질인 실리콘 칩을 이용한 기억장치
• 자기-표면 기억장치
  자화 물질로 코팅된 표면에 정보를 저장하는 기억장치

데이터를 저장하는 성질에 따른 유형

• 휘발성 기억장치
  전원 공급이 중단되면 내용이 지워지는 기억장치
• 비휘발성 기억장치
  전원 공급에 관계없는 영구 저장장치

삭제불가능 기억장치

내용 변경이 불가능한 기억장치

 

2. 계층적 기억장치시스템

2.1 계층화의 필요성 및 효과

필요성

빠르면 빠를수록 비용 증가 => 가성비를 생각해야됨

기억장치들은 속도, 용량 및 가격 측면에서 매우 다양함

적절한 성능 = 속도, 용량 및 가격의 기억장치 구성 필요

효과

기억장치시스템의 성능 대 가격비 향상

 

기억장치 특징

• 액세스 속도가 높아질수록, 비트당 가격은 높아진다
• 용량이 커질수록, 비트당 가격은 낮아진다
• 용량이 커질수록, 액세스 시간을 길어진다

계층적 기억장치시스템의 기본구성 개념

• 첫 번째 계층 기억장치
  속도가 빠르지만 가격은 높은 기억장치 사용
• 두 번째 계층 기억장치
  속도는 느리지만 가격이 낮은 기억장치 사용

2-단계 계층적 기억장치

1단계 = 고속, 소용량

2단계 = 저속, 대용량

 

원하는 데이터가 첫 번째 계층 기억장치에 있다면 즉시 액세스 하고, 만약 없다면, 두 번째 계층의 기억장치를 액세스

 

지역성의 원리

프로그램이 처리되는 과정에서 기억장치 액세스들이 특정 영역에 집중되는 현상

잛은 시간을 기준으로 보면, 프로세서가 기억장치의 한정된 몇 위치들을 집중적으로 액세스 하면서 작업을 수행

프로그램이 실행되는 동안, 지역성의 원리에 의해 첫 번째 계층의 기억장치에 대한 액세스 횟수가 두 번째 계층의 기억장치에 대한 액세스보다 훨씬 더 많음

-> 평균 기억장치 액세스 시간 단축

 

2.2 기억장치 계층

상위 층으로 갈수록

• 비트당 가격이 높아지고, 용량은 감소하며
• 액세스 시간이 짧아지고, CPU에 의한 액세스 빈도는 상승

내부 기억장치 / 외부 기억장치로 구분된다

 

하위 계층으로 내려갈수록

• 용량이 더 커지고
• 비트당 가격은 떨어지며
• 지역성의 원리로 인하여 액세스 빈도는 더 낮아진다

캐시 메모리

주기억장치의 액세스 속도가 CPU에 비하여 현저히 느리기 때문에 주기억장치로부터 데이터를 읽어오는 동안에 CPU가 오랫동안 기다려야 하므로, 그에 따른 성능 저하를 줄이기 위하여 CPU와 주기억장치 사이에 설치하는 고속의 반도체 기억장치

 

내부 기억장치

CPU가 직접 액세스할 수 있는 기억장치들

 

외부 기억장치

CPU가 직접 액세스할 수 없고, 장치 제어기를 통해서만 액세스할 수 있는 기억장치들

 

3. 반도체 기억장치

3.1 RAM = RAMDOM ACCESS MEMORY

특성

• 임의 액세스 방식
• 반도체 집적회로 기억장치
• 데이터 읽기, 쓰기 둘 다 가능
• 휘발성임

DRAM = dynamic ram

• 캐패시터에 전하를 충전하는 방시긍로 데이터를 저장하는 시억 소자들로 구성 -> 집적 밀도가 높다
• 데이터의 저장 상태를 유지하기 위하여 주기적인 재충전이 필요
• 집적 밀도가 더 높으며, 같은 용량의 SRAM보다 비트당 가격이 더 저렴
• 용량이 큰 주기억장치로 사용

SRAM = static ram

• 기억 소자로서 플립-플롭을 이용 -> 집적 밀도가 낮다
• 전역이 공급되는 동안에는 재충전 없이도 데이터 계속 유지 가능
• DRAM보다 다소 더 빠르다
• 높은 속도가 필요한 캐시 메모리로 사용