섹션6 | 메모리와 캐시 메모리

🧩 RAM의 특징과 종류

○ 메모리

- 주기억장치     : 휘발성 저장 장치. ▷ RAM (→ 메모리), ROM

- 보조기억장치 : 비휘발성 저장 장치

 

 

○ RAM 특징

- 휘발성 저장 장치 (전원 꺼지면 내용 날아감)

- 많은 프로그램들 동시 실행에 유리

 

 

○ RAM 종류

1. DRAM (Dynamic RAM)

- 저장된 데이터가 동적으로 사라지는 RAM

- 데이터 소멸 막기 위해 주기적으로 refresh해야

- 일반적으로 메모리로 사용되는 RAM

    └ 상대적으로 소비전력이 낮고, 저렴하고, 집적도가 높아 대용량으로 설계하기 용이하므로

 

2. SRAM (Static RAM)

- 저장된 데이터가 정적인 (사라지지 않는) RAM

- DRAM보다 더 빠름

    └ 상대적으로 소비전력이 높고, 비싸고, 집적도가 낮아 '대용량 설계 필요 없이 빨라야 하는 장치'에 사용

 

3. SDRAM (Synchronous RAM)

- 특별한(발전된 형태의) DRAM

- 클럭 신호와 동기화된 DRAM

 

4. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

- 특별한(발전된 형태의) SDRAM

- 최근 가장 대중적으로 사용하는 RAM

- 대역폭을 2배 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM

(* 대역폭 : 데이터를 주고받는 길의 너비)

 

→ SDR SDRAM : 대역폭 1개

→ DDR SDRAM : 대역폭 2개

→ DDR2 SDRAM : 대역폭 4개

→ DDR3 SDRAM : 대역폭 8개

→ DDR4 SDRAM : 대역폭 16개 (참고). 가장 대중적. ✅

 

 

🧩 메모리의 주소 공간

○ 물리 주소

- 메모리 입장에서 바라본 주소

- 정보가 실제로 저장된 HW 상 주소

 

○ 논리 주소

- CPU와 실행 중인 프로그램 입장에서 바라본 주소

- 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작하는 주소

 

 

○ 물리 주소와 논리 주소의 변환

MMU (메모리 관리 장치)라는 HW 장치에 의해 변환

MMU
 : 논리 주소와 베이스 레지스터의 값을 더해 논리 주소를 물리 주소로 변환

 

- 베이스 레지스터 : 프로그램의 가장 작은 물리 주소 = 프로그램의 첫 물리 주소

-  논리 주소           : 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리

 

▷ 단점 : 메모리 보호 NO

 

 

○ 메모리 보호 방법

한계 레지스터

- 프로그램 영역 침범할 수 있는 명령어 실행 막음

- 논리 주소의 최대 크기 저장

- 베이스 레지스터 값 <= 프로그램의 물리 주소 범위 < 베이스 레지스터 + 한계 레지스터 값

CPU가 접근하려는 논리 주소, 한계 레지스터가 저장한 값보다는 작아야 함.

 

 

▷ CPU, 메모리에 접근하기 전 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지 항상 검사

⇒ 실행 중인 프로그램의 독립적 실행 공간 확보 & 하나의 프로그램이 다른 프로그램 침범 못 하게 보호

 

 

 

🧩 캐시 메모리

○ 저장 장치 계층 구조 (memory hierarchy)

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

 

 

→ 기준 : CPU에 얼마나 가까운지

 

 

 

○ 캐시 메모리

CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위한 저장 장치

 

- 레지스터(CPU)보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반 저장 장치

- 메모리에서 CPU가 사용할 일부 데이터를 미리 캐시 메모리로 가져와 사용

 

 

 

계층적 캐시 메모리 (L1-L2-L3 캐시)

→ L1,L2 캐시는 코어 내부 / L3 캐시는 코어 외부에 위치

- 속도 : L1 > L2 > L3 > 메모리

- 크기 : L1 < L2 < L3 < 메모리

 

 

 

분리형 캐시

• 더 빨리 담기 위해 데이터만 담고 있는 캐시 (L1D - Data), 명령어만 담고 있는 캐시 (L1I - Instruction)로 분리

 

 

 

 

○ 최종 저장 장치 계층 구조

 

 

 

○ 참조 지역성의 원리

캐시 메모리, 메모리보다 용량이 작으므로 CPU가 자주 사용할만한 데이터를 예측해 저장

 

1. 캐시 히트 : 예측이 맞을 경우 (CPU가 캐시 메모리에 저장된 값을 활용할 경우)

2. 캐시 미스 : 예측이 틀릴 경우 (CPU가 메모리에 접근해야 하는 경우)

 

캐시 적중률 : 캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)

→ 캐시 적중률 높여야 한다 = CPU가 사용할 법한 데이터를 잘 예측해야 한다.

→ CPU가 메모리 접근 시 주된 경향 바탕으로 원리 만듦

① CPU, 최근 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향 有
② CPU, 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향 有 (공간 지역성)

 

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(참고)

https://youtu.be/Lvf-Su8eEDc?feature=shared

https://youtu.be/_mQNCRA1fVA?feature=shared

https://youtu.be/qLCP0PwRp_w?feature=shared