메모리 계층구조

 

메모리 계층구조(Memory Hierarchy)

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각각 다른 성능과 특징을 가지는 여러 메모리가 존재한다.

• 용도에 따라 적재 적소에 사용하면 최적의 효율을 낼 수 있다.

 

 

레지스터(Register)

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CPU가 요청을 처리하는 데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치

• CPU(Central Processing Unit) : 중앙처리 장치
• 컴퓨터의 4대 주요 기능(기억,해석,연산,제어)을 관할하는 장치이다.
• 고속 메모리로, 소량의 데이터를 처리할 때 사용한다.
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐야 한다.

 

CPU 내부 레지스터 종류

PC(Program Counter)	다음에 실행할 라인의 주소를 가지고 있는 레지스터
AC(ACumulator)	연산 결과 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
IR(Instruction Register)	현재 수행 중인 명령어를 가지고 있는 레지스터
SR(Status Register)	현재 CPU의 상태를 가지고 있는 레지스터
MAR(Memory Address Register)	메모리부터 읽어오거나 메모리에 쓰기 위한 주소를 가지고 있는 레지스터
MBR(Memory Buffer Register)	메모리로부터 읽어온 데이터 또는 메모리에 써야할 데이터를 가지고 있는 레지스터
I/O AR(I/O Address Register)	입출력 장치에 따른 입출력 모듈의 주소를 가지고 있는 레지스터
I/O BR(I/O Buffer Register)	입출력 모둘과 프로세서 간의 데이터 교환을 위해 사용되는 레지스터

 

 

캐시 메모리

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메인 메모리(Main Memory)

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주 기억장치(= 1차 기억 장치)에 해당한다.

• RAM(Random Access Memory)
  • Random Access : 어느 위치에서든 똑같은 속도로 접근하여 읽고 쓸 수 있다는 의미
  • 일반적으로 주 기억장치(메인 메모리)는 RAM을 가리킨다.
  • 휘발성 메모리이다.
    • 전원이 유지되는 동안 CPU의 연산 및 동작에 필요한 내용이 저장된다.
    • 전원이 종료되면 저장된 내용은 모두 사라진다.
  • 하드 디스크의 프로그램을 메인 메모리에 적재하여 CPU가 데이터에 접근할 수 있게 한다.
  • 종류 : SRAM, DRAM
• ROM(Read-Only Memory)
  • 고정 기억 장치이다.
  • 비휘발성 메모리이다.
    • 전원이 종료되어도 데이터가 영구히 저장된다.
  • 영구 보존되어야 하는 데이터를 위해 사용한다.
  • 주로 바이오스, UEFI 등 펌웨어에 사용한다.
  • 종류 : PROM, EPROM, EEPROM 등
  • ROM이 메인 메모리 범주에 속하는 지는 경계가 모호하다.

 

 

하드 디스크 드라이브(HDD, Hard Disk Drive)

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보조 기억장치에 해당한다.

• 사용자가 사용하고자 하는 데이터와 프로그램을 저장한다.
  • 운영체제, 소프트웨어 프로그램 등
• 비휘발성 메모리이다.
  • 전원이 종료되어도 데이터가 영구히 저장된다.
• 용량 대비 가격이 저렴하다.
• RAM에 비해 속도가 느리다.

 

 

메모리 계층 구조의 필요성

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1. Decoding 속도

CPU가 메모리에 접근하기 위해서는 Control bit가 필요하다.

메모리의 크기가 크다면 Decoding을 통해 Control bit를 전달해야 한다.

• Decoding 과정에서 시간이 소요된다.
• 메모리의 크기가 클수록 더 복잡한 Decoding 과정이 필요하다.

따라서, CPU가 메모리에 빠르게 접근하기 위해서는 메모리의 크기가 작아야 한다.

위 그림의 경우, 아래 그림의 경우보다 CPU가 빠르게 메모리에 접근할 수 있다.

 

 

2. Locality of Reference

큰 메모리를 사용해도 메모리 내부의 데이터에 고르게 접근하지 않는다.

• 자주 쓰이는 데이터는 자주 쓰이고, 자주 쓰이지 않는 데이터는 계속해서 자주 쓰이지 않는다.

이를 이용해서 자주 쓰일것 같은 데이터를 모아 작은 메모리 안에 구성한다면 시간과 공간의 효율을 높일 수 있다.

• 캐시 메모리-메인 메모리의 관계, 메인 메모리-하드 디스크의 관계가 그렇다.

 

 

3. 경제성

속도가 빠른 메모리는 가격이 비싸기 때문에 작은 용량으로 사용한다.

반면 속도가 느린 메모리는 가격이 저렴하기 때문에 넉넉한 용량으로 사용할 수 있다.

따라서, 메모리 계층 구조가 피라미드 모양으로 나타난다.

 

 

 

참고

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[OS] 메모리 계층 구조(Memory Hierachy)

메모리 계층 구조

프로세서 레지스터