[Computer Architecture] 컴퓨터 기억장치 시스템 개요 및 캐시 설계
🖥️ 컴퓨터 기억장치 시스템 개요
컴퓨터에서 기억장치(memory)는 프로그램 명령어와 데이터를 저장하고, 프로그램 실행을 지원하는 핵심 요소이다. 메모리는 프로세서와 입출력 장치 사이에서 작업을 수행하며, 컴퓨터가 작동하는 동안 프로그램이 데이터를 저장하고 불러오는 데 필수적이다.
📝 기억장치의 주요 특성
기억장치는 다음과 같은 특성에 따라 성능이 결정된다.
- 용량(Capacity): 기억장치의 크기를 나타내며, 내부 기억장치의 용량은 바이트(byte) 또는 단어(word) 단위로 측정된다. 외부 기억장치의 용량은 일반적으로 바이트 단위로 표현된다.
- 전송 단위(Transfer Unit): 데이터를 읽고 쓸 때 한 번에 전송되는 최소 단위로, 내부 기억장치에서는 데이터 버스의 폭에 의해 결정된다.
- 액세스 방식(Access Method): 데이터를 읽고 쓰는 방법에 따라 순차적, 직접, 임의, 연관 액세스 방식으로 나뉜다.
기억장치의 계층구조
기억장치는 성능과 비용의 균형을 맞추기 위해 계층적으로 구성된다. 레지스터, 캐시, 주기억장치(RAM), 디스크와 같은 여러 레벨의 기억장치는 용량과 액세스 속도에 따라 상호 작용하며 전체 시스템 성능을 최적화한다.
💭 캐시 기억장치의 원리
캐시 기억장치는 프로세서와 메인 메모리 사이에 위치하여 자주 사용되는 데이터를 저장해 성능을 향상시킨다. 캐시는 작은 용량이지만 매우 빠른 속도로 액세스할 수 있는 메모리로, 주기억장치보다 접근 속도가 훨씬 빠르다.
🔄 지역성(Locality) 원리
- 시간적 지역성(Temporal Locality): 최근에 사용된 데이터가 다시 사용될 가능성이 높다.
- 공간적 지역성(Spatial Locality): 현재 참조된 메모리 주소와 인접한 주소의 데이터가 곧 참조될 가능성이 높다.
🛠️ 캐시 설계 요소
캐시 설계에서 중요한 요소는 캐시 크기, 주소 매핑 방식, 교체 알고리즘, 쓰기 정책이다.
캐시 크기
캐시의 크기는 성능에 중요한 영향을 미치며, 너무 작으면 적중률이 떨어지고, 너무 크면 속도가 느려질 수 있다.
주소 매핑 방식
- 직접 사상(Direct Mapping): 주기억장치의 특정 블록이 캐시의 특정 라인에만 할당된다.
- 연관 사상(Associative Mapping): 주기억장치 블록이 캐시의 어느 라인으로도 할당 가능하다.
- 세트 연관 사상(Set Associative Mapping): 캐시를 여러 세트로 나누어 각 세트 내에서 연관 사상을 적용한다.
교체 알고리즘
캐시가 꽉 찼을 때 어떤 블록을 교체할지 결정하는 알고리즘이다.
- LRU(최소 최근 사용): 가장 오래 사용되지 않은 블록을 교체한다.
- FIFO(선입선출): 캐시에 가장 오래 머문 블록을 교체한다.
- Random: 임의로 블록을 교체한다.
쓰기 정책(Write Policy)
- Write-Through: 데이터를 캐시와 주기억장치에 동시에 기록한다.
- Write-Back: 데이터를 캐시에만 기록하고, 캐시가 교체될 때 주기억장치로 반영한다.
🚀 캐시 조직의 예
캐시 메모리는 L1, L2, L3와 같은 다단계 구조로 이루어져 있으며, 각 단계는 프로세서에 가까운 순서대로 더 빠르고 작아진다.
- L1 캐시: 가장 빠른 캐시로 프로세서 내부에 위치한다.
- L2 캐시: L1 캐시보다 크지만 속도가 느리다.
- L3 캐시: 시스템 성능을 높이기 위해 더 큰 용량을 제공한다.
캐시의 크기와 적중률
캐시의 크기가 커질수록 적중률이 높아지지만, 너무 크면 성능이 저하될 수 있다. 일반적으로 L1 캐시는 32KB~64KB, L2 캐시는 256KB~1MB, L3 캐시는 수 MB~수십 MB 범위를 사용한다.
📊 기억장치의 성능 평가
기억장치 성능은 적중률, 액세스 시간, 전송 속도 등 여러 요소에 의해 평가된다. 다단계 기억장치는 이러한 성능 요소를 최적화하는 중요한 설계 전략으로, 빠른 기억장치와 대용량 기억장치 간의 트레이드오프를 해결한다.
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