운영체제 Day6 (메모리와 캐시 메모리)

RAM의 특징과 종류

RAM의 특징

RAM은 전원을 끄면 저장된 내용이 사라지는 휘발성 저장 장치 이다. 반면 전원이 꺼져도 저장된 내용이 유지되는 저장 장치는 비휘발성 저장 장치 라고 한다. 일반적으로 비휘발성 장치에는 '보관할 대상을 저장하고' 휘발성 저장 장치에는 '실행할 대상'을 저장한다.

RAM의 용량과 성능

CPU가 실행하고 싶은 프로그램이 보조기억장치에 있다면 이를 RAM으로 가져와야 하는데, RAM의 용량이 작다면 보조기억장치에서 실행할 프로그램을 가져와는 일이 잦아 실행 시간이 길어지게 된다. 하지만 필요이상으로 커지게 되면 실행 속도는 그대로 이다.

RAM의 종류

DRAM

저장된 데이터가 동적으로 변하는 RAM을 의미한다. DRAM은 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라지는 RAM이다. 그렇기 때문에 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화 해야 한다.

소비전력이 비교적 낮고, 저렴하며, 집적도가 높기 때문에 대용량으로 설계하기 용이하다.

SRAM

저장된 데이터가 변하지 않는 RAM을 의미한다. 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않는다 DRAM 보다 일반적으로 속도가 빠르다.

직접도가 낮고, 소비전력도 크며, 가격도 비싸다. 그렇기 때문에 대용량으로 만들어질 필요가 없지만 속도가 빨라야 하는 캐시 메모리에 주로 사용된다.

SDRAM

클럭 신호와 동기화된 발전된 형태의 DRAM이다. 클럭 타이밍에 맞춰 CPU와 정보를 주고받을 수 있다.

DDR SDRAM

대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM이다. 대역폭이란 데이터를 주고받는 길의 너비를 의미한다.

메모리의 주소 공간

주소에는 두 종류가 있다 바로 물리 주소와 논리 주소 이다.

물리 주소와 논리 주소

주소에는 메모리가 사용하는 물리 주소가 있고, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 논리 주소가 있다.

• 물리주소

정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소를 의미한다.

• 논리주소

실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소를 의미한다.

논리 주소와 물리 주소 간에는 변환이 이루어 져야 한다. 이는 메모리 관리 장치(MMU)에서 이루어 진다.

베이스 레지스터는 프로그램의 가장 작은 물리 주소, 즉 프로그램의 첫 물리 주소를 저장하는 셈이고, 논리 주소는 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리 이다.

메모리 보호 기법

다른 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어는 위험하기 때문에 논리 주소 범위를 벗어나는 명령어 실행을 방지하고 실행중인 프로그램이 다른 프로그램에 영향을 받지 않도록 보호하기 위해 한계 레지스터라는 것을 사용한다.

• 한계 레지스터

논리 주소의 최대 크기를 저장한다. 즉 프로그램의 물리 주소 범위는 베이스 레지스터 값 이상, 베이스 레지터 값 + 한계 레지스터 값 미만이 된다. CPU가 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근하려고 하면 이터럽트를 발생시킨다.

캐시 메모리

저장 장치 계층 구조

'빠른 저장 장치'와 '용량이 큰 저장 장치'는 양립하기 어렵다. 저장 장치는 일반적으로 아래와 같은 명제를 따르기 때문이다.

1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고,가격이 비싸다.

컴퓨터가 사용하는 저장 장치들은 'CPU에 얼마나 가까운가'를 기준으로 계층적으로 나타낼 수 있다. 이를 저장 장치 계층 구조라고 한다.

참조 지역성 원리

캐시 메모리는 CPU가 사용할 법한 대상을 예측하여 저장한다. 이때 예측한 데이터가 실제로 들어맞아 캐시 메모리 내 데이터가 CPU에서 활용되는 경우를 캐시 히트라고 한다.(반대는 캐시 미스)

캐시가 히트되는 비율을 캐시 적중률이라고 한다. CPU가 사용할 법한 데이터를 한 가지 원칙에 따라 결정한다. 이를 참조 지역성 원리라고 한다.

1. CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
2. CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.

첫째, '최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향'은 무엇일까?

'CPU는 변수가 저장된 메모리 공간을 언제든 다시 참조할 수 있다'는 것을 의미한다. 이를 '시간 지역성'이라고도 한다.

둘쨰, '접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향'은 무엇일까?

CPU가 실행하려는 프로그램은 보통 관련 데이터들끼리 한데 모여 있다.

이를 '공간 지역성'이라고 한다.

출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제, 강민철 지음