컴 퓨 터 개 론

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제 4장 기억 장치 구성 • 기억 장치의 기본 개념 • 주기억 장치 • 보조 기억 장치 • 캐시 메모리

기억 장치의 기본 개념 • 주기억 장치 • CPU에 의하여 현재 수행중인 데이터가 저장되어 CPU가 직접 접근 가능한 기억 장치. • 보조기억 장치 • 현재 수행에는 직접 필요하지 않은 프로그램이나 데이터를 저장하고 있다가 필요한 경우에 주기억 장치로 전송하는 기억 장치. • CPU와 직접 통신할 수 없으며 주기억 장치를 통해서만 자료 교환이 가능. • 주기억 장치의 용량에 대한 제한을 극복하기 위한 대안으로 사용. • 데이터를 16, 32, 64비트를 처리하는가 또는 보조 프로세서의 차이로 구분. • 기억 장치의 계층 구조 • 속도는 느리지만 큰 용량을 가진 보조기억 장치로부터 비교적 속도가 빠른 주기억 장치, 용량은 작으나 고속의 CPU에 접근할 수 있는 빠른 버퍼 메모리 등의 모든 기억 장치로 구성.

기억 장치의 기본 개념 • 기억 장치의 계층 구조 • 레지스터는 CPU 내부에 두어 임시 기억장소로 사용. • CPU로부터 가장 가까운 곳에는 접근 시간이 빠른 캐시 메모리를 배치하고 먼 곳에는 보조기억 장치를 배치. • 계층 구조의 가장 아래에는 제거 가능한 파일을 저장하기 위한 비교적 느린 자기 테이프가 있고 그 위에 백업 저장장치로 쓰이는 자기 디스크나 드럼. • 주기억 장치는 CPU와 입출력 프로세서를 통한 입출력 장치와 직접 통신하는 위치에 두고, 주기억 장치에 저장되어 있지 않은 프로그램이 필요하면 보조기억 장치에서 오고, 주기억 장치의 필요없을 때는 보조기억 장치로 이동.

기억 장치의 기본 개념 • 기억 장치를 계층 구조로 나누는 이유 ? • 입출력의 경제성: 전체 메모리 시스템 가격을 최소화하면서 가능한 한 최고의 평균 접근 속도를 달성. • 캐시 메모리: 주기억 장치와 CPU 사이에서 정보 전송을 담당. • 가상 기억 장치: 보조기억 장치와 주기억 장치 사이에 정보 전송을 담당. • 기억장치 접근 방법 • 가장 중요한 것은 기억 장치에 데이터를 쓰거나 읽는 데 걸리는 접근 시간. • 기억 장치에 어떻게 접근하는가에 대한 문제로 직접 접근 메모리와 순차 접근 메모리로 구분. • 직접 접근 메모리: 컴퓨터 내부에 장착되는 ROM, RAM과 같은 반도체 메모리와 HDD와 FDD 등. • 순차 접근 메모리: 순차적으로 접근하는 기억 장치들로 자기테이프나 자기 드럼 등 • 직접 접근 데이터가 기억된 위치에 관계없이 엑세스 시간이 항상 일정하지만, 순차 접근은 데이터가 기억된 위치나 장소를 처음부터 순서대로 찾는 방식이므로 데이터가 기억된 위치에 따라 접근 시간에 많은 차이 있다.

기억 장치의 기본 개념 • 접근시간 • 메모리내의 기억 장치에 도달하여 그 내용을 얻는데 요구되는 평균시간. • 탐색 시간 + 대기시간 + 전송 시간 • 사이클 타임: 주기억 장치와 CPU 사이에서 정보 전송을 담당. • 기억 장치에 한 번의 접근을 시작한 시점에서 다음 번 접근을 위한 시점까지 걸리는 시간. • 파괴 메모리 : 사이클 타임 = 접근 시간 + 복원 시간 • 비파괴 메모리 : 사이클 타임 = 접근 시간 • 대역폭 : 초당 전송되는 정보량(비트 수, 워드 수, 문자수)이며, 기억 장치의 전송속도를 측정하는 기준. • 버스: 데이터가 이동되는 통로. • 대역폭: Band Width = W / Cycle time (bit/sec) • Ex) 사이클 타임이 0.5㎲이고 데이터 버스 폭이 32비트의 대역폭은 ?

기억 장치의 기본 개념 • 기억 방식과 물리적 특성에 따라 기억장치 분류 • 정적 메모리: 정적 메모리는 일단 기억소자에 정보가 저장되면 전원이 유지되는 한 그 데이터를 상실하지 않는 메모리 • 동적 메모리: 전원이 공급되고 있는 동안에도 일정 주기로 충전 해주어야 데이터를 상실하지 않는 메모리. • 휘발성 메모리: RAM은 전원이 공급되는 동안에는 데이터를 계속 기억하고 있으나 전원 공급이 끊기면 기억된 내용이 소멸되는 메모리. • 비휘발성 메모리: 공급 전원이 끊겨도 이전의 정보가 계속 기억되는 메모리. • 파괴 메모리: 한 번 읽으면 그 내용이 파괴 메모리. • 비파괴 메모리: 한번 읽어도 그 내용에 영향을 주지 않는데 이러한 메모리.

주기억 장치 • 수행 중인 프로그램과 이에 필요한 데이터, 그리고 프로그램 수행 중에 발생하는 중간결과 등이 저장되며, 지정된 주소에 바이트 혹은 워드 단위로 저장. • 당장 필요한 데이터나 프로그램을 기억하는 장치로 내부 기억 장치(internal memory)라고도 하는데, 사용되며, 크기는 작지만 속도가 빠른 기억 장치. • RAM(Random Access Memory) : 기억 장치의 내용을 저장하거나 판독하는 기능을 갖는 기억 장치. • ROM(Random Only Memory) : 기억 장치의 내용을 판독하게만 되어 있는 기억 장치. • RAM = RWM(Read Write Memory) • 컴퓨터의 전원이 꺼지면 내부에 저장되어 있던 정보가 모두 사라지기 때문에 휘발성 메모리. • SRAM(Static RAM) : DRAM이 갖는 불편을 최소화, 속도를 높인 메모리. • DRAM(Dynamic RAM) :데이터를 기억하기 위해서 일정한 시간 안에 매 비트를 리프래시(재충전) 하는 메모리.

주기억 장치 • ROM = RWM(Read Write Memory) • ROM은 판독 전용 기억 장치로 일반적으로 컴퓨터 생산자가 공급. • 전원이 나가도 그 속에 저장되어 있는 내용이 지워지지 않는 비소멸성 장치. • 특별한 용도로만 한정적으로 사용되며 읽기는 가능하나 쓰기는 불가능. • ROM의 작동과정 • 컴퓨터의사용 중 변경될 가능성이 없는 프로그램과 데이터를 영구히 기억, 처음 컴퓨터 부팅시 컴퓨터 동작에 꼭 필요한 하드웨어나 레지스터 초기화 루틴 또는 POST 같은 자체 진단 프로그램과 부트스트랩 로더라고 불리는 초기화 프로그램이 기억 • 대부분의 컴퓨터 시스템에서 ROM에 의해 일단 부팅 된 후 운영체제의 일부분을 디스크에서 주기억 장치로 적재한 후 운영체제로 제어를 넘긴다. • ROM에 정보를 저장하는 방법과 제조 방법에 따른 구분 • Mask ROM • PROM(Programmable ROM) • EPROM(Erasable PROM)

주기억 장치 • 그 밖의 메모리 • 캐시 메모리(cache memory) : 마이크로프로세서가 일반적인 램에 비해 더 빨리 엑세스 할 수 있는 램. • 롬 바이오스(BIOS) : 말 그대로 기본적인 입력과 출력을 담당하는 시스템 프로그램을 말한다. 흔히 펌웨어(firmware) 라고도 한다. • 스마트 미디어(smart media) : 다른 메모리에 비해 얇고(0.76mm) 가벼운(2g) 휴대기기용으로 뛰어난 기능으로 디지털 카메라와 MP3 플레이어 많이 사용. • 메모리 스틱(memory stick) : 데이터 기록 외에 오디오 파일의 기록 등의 용도에 사용. • 비디오 메모리(video memory) : 컴퓨터와 영상 출력장치에 나타낼 이미지 정보를 저장하고 있는 특수 목적 메모리로 화상 또는 속도와 가용칼라 수를 결정하는데, 많은 그래픽을 화면에 보여주는 프로그램을 사용할 때 특히 유용. • 플래시 메모리(flash memory) : EEPROM의 종류로 일반적인 EEPROM과는 달리 바이오스에 주로 사용하기 때문에 플래시 바이오스라고도 한다. 최근의 메인보드 및 비디오 카드에 많이 쓰이고 있으며, PC카드로서 하드 디스크 대용으로 사용.

보조 기억 장치 • 주기억 장치에서 필요한 프로그램과 데이터를 저장. • 주기억 장치보다는 다소 속도가 느리지만 같은 비용으로 큰 기억공간을 제공하는 보조기억 장치가 필요. • 순차 접근 기억 장치(SASD : Sequential Access Storage Device) : 자기테이프 • 직접 접근 기억 장치(DASD : Direct Access Storage Device) : 자기디스크 • 자기테이프 • 플라스틱 테이프 위에 자화 물질이 코팅되어 있으며 릴에 감아서 사용. • 길이는 일반적으로 300 - 3600피트(feet)이고, 평행한 트랙을 가지고 있다 . • 보통 7트랙과 9트랙의 두 가지 종류가 있고, 자기 테이프는 원리적으로 녹음기에서 쓰이는 오디오용 테이프와 비슷.

보조 기억 장치 • 자기 테이프에 기억되는 정보 형태 • 자기 테이프의 기록 밀도: 인치당 기록되는 바이트 수인 BPI로 계산.

보조 기억 장치 • 자기디스크 • 얇고 둥근 금속 원판의 양쪽에 자화 물질이 입혀진 금속 또는 플라스틱 평판. • 주기억 장치에서 주소에 의하여 지정할 수 있는 정보량인 바이트 혹은 워드와 비교하면 주소와 정밀도가 낮다. • 보통 0번부터 일련의 디스크 원반이 모여서 디스크 팩(disk pack)을 형성. • 보통 하나의 팩에는 6～20개의 디스크 원반이 있는데, 각 원반은 직경이 10.5인치 또는 14인치가(소형인 경우 1～3.5인치) 정도이고 레코드 판과 비슷. • 디스크 팩의 구조

보조 기억 장치 • 디스크의 표면의 트랙과 섹터 • 디스크의 종류: 유동 헤드 디스크,:고정 헤드 디스크 • 고정헤드 디스크 : 각 디스크 표면마다 하나의 read-write 헤드를 가지고 있으며 엑세스 암을 움직여 원하는 위치를 측정. • 유동헤드 디스크 팩에 저장된 레코드를 접근하기 위한 일련의 작업 • 디스크 팩의 원하는 레코드의 주소를 해독하고 그 레코드가 어느 트랙에 있는지를 결정. • read-write 헤드가 목표 실린더에 위치하도록 엑세스 암이 이동하고 원하는 트랙에 해당하는 read-write 헤드의 활동을 시작.

보조 기억 장치 • 헤드가 레코드에 위치할 때까지 디스크 회전을 기다리다가 데이터를 판독해서 전송. • 유동 헤드 디스크의 데이터 전송 연산 작업 을 수행하는데 필요한 시간. 데이터 전송 연산 시간= 탐구 시간(seek time, 엑세스 암을 해당 실린더에 이동) + 헤드 활동 시간(head activation, 트랙 선택) + 회전 지연 시간(rotational latency, 레코드 선택) + 데이터 전송 시간(transfer time) • 고정 헤드 디스크: 각 디스크 표면의 트랙마다 지정된 read-write 헤드 존재 • 고정 헤드 디스크의 데이터 전송 연산 작업 을 수행하는데 필요한 시간. 데이터 전송 연산 시간= 헤드 활동 시간(head activation, 트랙 선택) + 회전 지연 시간(rotational latency, 레코드 선택) + 데이터 전송 시간(transfer time) • 고정 헤드 디스크의 접근시간은 탐구 시간이 없게 되어 접근 시간을 줄어들 뿐만 아니라 기계적으로 간단해서 유동 헤드 디스크보다 신뢰성이 높다. • 유동 헤드 디스크의 예는 플로피 디스크이고, 고정 헤드 디스크의 예는 하드 디스크.

보조 기억 장치 • 플로피 디스크 • DASD(Direct Access Storage Device)에서 가장 중요한 발전을 이룬 것이 유연한 디스크 저장 장치인데 현재는 소형 컴퓨터나 마이크로 컴퓨터의 DASD로 널러 사용. • 보통 5.25인치와 3.5인치가 보편적 이나, 5.25인치는 소멸. • 3.5인치 고밀도 플로피는 트랙당 18섹터가 있어서 총 1.44M바이트를 저장. • 플로피 디스크의 구조

보조 기억 장치 • 하드 디스크 • 하드 디스크(HD : Hard Disk)는 현대의 PC의 보조 기억 장치로 필수적인 장치로 2000년대부터 GB 급으로 발전. • 하드 디스크는 플로피 디스크와는 달리 금속(알루미늄 재질)의 원반형 디스크가 드라이브 내에 고정. • 디스크는 상당히 민감해서 공기중의 먼지나 담배 연기 입자, 습기만으로도 에러를 일으킬 정도이기 때문에 청정실에서 조립되고 외부 공기는 필터를 통해서만 들어갈 수 있도록 제작. • 하드 디스크의 구조 • 플로피 디스크와 비교해 보면, 하드 디스크는 플로피 디스크에 비해서 대용량. • 하드 디스크의 또 다른 장점은 빠르다. • 하드 디스크의 데이터 에러 :

보조 기억 장치 • CD-ROM • 레이저 광선을 CD에 투사해 반사되는 빛을 읽어들임으로써 데이터를 처리하는 저장 매체 • 가격 대비 저장 용량이 경제적이면서 보관이 쉽기 때문에 데이터 백업 용도. • 최근에는 52배속 CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory) 드라이브까지 일반화. • 처리 속도를 확보하는 문제가 가장 큰 걸림돌로 작용. • CD-ROM의 구조

보조 기억 장치 • CD의 구조 • CD 중  의 구조 • 최근에는 CD-ROM을 지원하는 포맷 방식도 CD-R/W, CD-ROM/XA. CD-DA, CD-I, Video-CD, Multisession Photo CD, CD-Extra 등 다양. • Auto Balancer(자동평형장치)의 채용으로 소음을 줄이는 기술을 채용. • 완전 등각 속도 방식을 채택해 전송 속도를 향상

보조 기억 장치 • C-R과 CD-RW • CD-R(Compact Disk-Recordable)을 이용하면 700MB의 자료를 CD 한 장에 저장. • CD-R은 CD-ROM드라이브의 기본 원리에 데이터를 기록하는데 필요한 레이저 다이오드가 하나 더 들어 있어 여기에서 쏜 빛으로 데이터를 기록. • CD-R은 700MB 이상 되는 대용량을 저장할 수 있으나, 1회에 한해서 기록할 수밖에 없다는 점이 단점. • 따라서 좀 더 저렴한 가격에 읽기/쓰기가 가능한 제품을 원했고, 그 욕구를 충족시켜 읽고 쓰기가 가능한 CD-R/W를 등장. • 최근에는 CD-R/W의 경우에는 52 배속의 읽기와 52 배속의 쓰기와 32배속의 재기록 기능. • DVD • 인간의 시각적인 욕구와 청각적인 욕구를 현재의 CD로는 만족시킬 수 없어서 탄생된 것이 바로 DVD(Digital Versatile Disc). • 기존 매체가 가진 한계를 넘어 다양한 기능을 수행하기 때문에 지금은 디지털 다기능 복합 디스크. • 기존 매체와 DVD의 비교, DVD 속도, DVD-R / DVD-R/W / DVD-RAM

캐시 메모리 • 캐시 메모리 • 캐시 메모리는 수행할 명령어나 오퍼랜드를 주기억 장치로부터 옮겨와 저장하고 있다가 빠른 속도를 중앙 처리 장치에 제공. • 캐시 메모리의 기본 동작 • 중앙 처리 장치가 메모리에 접근할 필요가 있을 때 먼저 캐시를 조사. • 원하는 워드가 캐시에서 발견되면 읽고. 발견되지 않으면 주기억 장치로 접근하여 원하는 워드가 포함된 블록을 주기억 장치에서 캐시 메모리로 전송. • 블록의 크기는 1-16 워드 정도. 따라서 명령어나 오퍼랜드는 캐시 메모리에 미리 저장되어 있어야 한다. • 적중률 • 중앙 처리 장치가 캐시 메모리를 접근하여 그 내용을 찾았을 때 적중(hit)이라 하며 찾지 못한 경우를 실패(miss). • 캐시 시스템의 성능 척도로 적중률을 사용하고, 적중률이 높을수록 우수하며, 일반적으로 0.95-0.99 정도이면 우수.

캐시 메모리 • 주기억 장치로부터 캐시 메모리로 데이터를 전송하는 세 가지 방법(실패). ① 연상 매핑 ② 직접 매핑 ③ 집합 연상 매핑

캐시 메모리 • 캐시에 기록(Writing to Cache) : 캐시 일관성(Cache Coherence) 유의 Main memory 와 Cache memory의 내용이 동일해야 함 : 통일성(일관성) 유지 • 캐시에 있는 내용이 변경된(WRITE) 경우, 캐시의 블록(block)이 교체되기 전에 주기억장치의 내용도 갱신(update) 해야 함. (1) Write-through : Cache write와 동시에 주기억장치에도 기록. (2) Write-back : Cache write시에 내용이 변경되었다는 플래그(flag)만 set 해 놓고 나중에 block이 캐시로부터 제거될 때 주기억장치에 기록. cache miss or full 일때 • 교체 알고리즘(Replacement Algorithm) • FIFO (First-In First-Out) : 캐시 메모리에 가장 먼저 들어온 내용을 먼저 제거. • LIFO (Last-In First-Out) : 캐시 메모리에 가장 나중에 들어온 내용을 먼저 제거. • LRU (Least Recently Used) : 캐시 메모리의 내용 참조를 예견하여 빈번히 참조될 것으로 보이는 내용 제거. • LFU (Least Frequently Used) : 사용된 시간이 가장 오래된 것을 캐시 메모리의 내용을 제거.

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