혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제

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혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 - 메모리와 RAID

Jul 22, 2023

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혼공단 10기 3주차 학습 기록

메모리와 캐시 메모리

RAM의 특징

RAM은 휘발성 저장장치(Volatile Memory)로 전원을 끄면 저장된 내용이 사라진다. 반면에 보조기억장치는 전원을 꺼도 저장된 내용이 유지되는 비휘발성 저장장치(Non-volatile Memory)이다. 하지만 CPU는 보조기억장치에 직접 접근하는 것이 불가능하기 때문에 프로그램을 실행하기 위해서는 보조기억장치에 보관된 프로그램을 RAM으로 복사한 뒤 저장해야 한다.

그럼 RAM 용량에 따라 실행 속도는 어떤 차이를 보일까?
만약 아래와 같이 RAM 용량이 프로그램을 하나만 저장할 수 있도록 작은 경우라면,

[작은 RAM 용량]

CPU가 A와 B 프로그램을 순차적으로 실행한다고 가정해 보자. RAM은 하나의 프로그램만 저장할 수 있으므로 보조기억장치로부터 먼저 A 프로그램을 가져와 저장한다. 그리고 B 프로그램을 실행할 때 다시 B 프로그램을 가져와 저장하고 실행해야 한다.

그러나 RAM 용량이 이보다 더 큰 경우라면,

[큰 RAM 용량]

RAM 용량이 두 프로그램을 모두 담을 수 있을 정도로 크면 한 번에 A, B 프로그램을 모두 가져와 동시에 실행하는 것이 가능하다.

RAM 용량이 클수록 많은 프로그램을 동시에 빠르게 실행할 수 있다.

*용량이 필요 이상으로 큰 경우, 실행 속도에는 큰 영향을 주지 않는다.

RAM의 종류

RAM 종류에는 DRAM, SRAM, SDRAM, DDRAM 4가지가 있다. 먼저 DRAM과 SRAM에 대해 살펴보자.

DRAM(Dynamic RAM)

DRAM은 저장된 데이터가 시간이 지나면 점차 소멸하는 RAM을 말한다. 데이터가 사라지는 것을 방지하기 위해 주기적으로 데이터를 다시 저장(재활성화)해야 한다는 특징을 가진다.

우리가 가장 일반적으로 주기억장치에 사용되는 RAM이 바로 DRAM이다. 상대적으로 소비 전력이 낮고, 가격이 저렴하며, 대용량으로 설계하기가 용이하기 때문이다.

SRAM(Static RAM)

반대로 SRAM은 저장된 데이터가 시간이 지나도 사라지지 않는다. 그래서 데이터를 재활성화할 필요도 없으며 일반적으로 DRAM보다 속도도 빠르다는 장점이 있다.

그러면 SRAM을 메모리로 사용하면 더 좋지 않을까 싶지만 아쉽게도 SRAM은 DRAM보다 소비 전력도 크고, 가격도 비싸며, 대용량 설계도 힘들다. 그래서 메모리보다는 주로 속도가 빨라야 하는 저장장치인 캐시 메모리에 사용한다.

SDRAM(Synchronous DRAM)

SDRAM은 클럭 신호에 맞춰 동작하면서 CPU와 정보를 주고받는 발전된 형태의 DRAM이다.

DDR DRAM(Double Data Rate DRAM)

DDR SDRAM은 최근 가장 많이 사용되는 RAM으로 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM이다. 대역폭은 데이터를 주고받는 길의 너비를 뜻하는데, 대역폭이 넓다는 말은 속도가 그만큼 빠르다는 말과도 같다. DDR SDRAM은 SDRAM보다 2배의 대역폭을 갖고 있어 2배 속도가 빠르다.

캐시 메모리(Cache Memory)

메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)

저장 장치는 일반적으로 CPU와 가까울수록 속도가 빠르고 저장 용량은 작으며 가격이 비싸다. CPU와 가장 가까운 레지스터가 속도가 제일 빠르며 메모리, 보조기억장치 순으로 속도가 상대적으로 느리다.

이렇게 레지스터에 접근하는 것보다 속도가 느린 메모리의 단점을 개선하기 위해 캐시 메모리가 등장했다.

캐시 메모리는 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 접근 속도가 빠른 SRAM 기반의 저장 장치이다. 메모리에서 필요한 일부 데이터를 캐시 메모리에 미리 저장해 놓으면 CPU가 데이터에 접근하는 속도를 개선할 수 있다.

캐시 메모리는 CPU가 사용할 법한 데이터를 예측해서 저장한다. 예측한 데이터가 맞아 실제로 활용되는 경우를 캐시 히트(cache hit)라고 하며 맞지 않아 메모리에서 직접 데이터를 가져와야 하는 경우를 캐시 미스(cache miss)라고 한다. 히트되는 비율은 캐시 적중률(cache hit ratio)이라고 부르며 ‘캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)‘로 계산할 수 있다.

참조 지역성 원리(Locality of reference, principle of locality)

캐시 메모리가 데이터를 예측하는 방법은 아래 참조 지역성 원리를 따른다.