[ 컴퓨터구조 ] 5.2 계층적 기억장치시스템

계층적 기억장치시스템

▣ CPU와 기억장치 사이의 속도 격차 문제

▪ 컴퓨터시스템의 성능에 가장 중요한 영향일 미치는 요소는 CPU 임

▪  CPU가 아무리 빠르더라도 기억창지가 느리다면, CPU는 명령어나 데 이터를 액세스하는 과정에서 많은 시간을 기다리게 되어 시스템 성능 이 저하될 수밖에 없음

▪  최근 기억장치 제조 기술의 발전으로 인하여 반도체 기억장치의 속도 가 계속 높아지고는 있지만 CPU의 속도는 더욱 향상되고 있기 때문에, 속도 격차는 줄어들지 않고 있음

▣ 계층적 기억장치시스템이란?

▪기억장치들은 유형에 따라 기능, 속도, 용량 및 가격이 매우 다양함
▪ 컴퓨터시스템에서 기억장치는 속도뿐 아니라 다른 측면들도 함께 고려하여 구성되어야 함

▪ 계층적 기억장치시스템이란 속도, 가격 및 크기가 다양한 기억장치들 을 계층적으로 설치함으로써 성능대 가격비(performance/cost ratio) 를 높이는 시스템 구성 방식

▣ 계층적화의 필요성 및 효과

▪ 필요성
➢기억장치들은 속도, 용량 및 가격 측면에서 매우 다양 

➢적절한 성능(속도), 용량 및 가격의 기억장치 구성 필요

▪효과
➢기억장치시스템의 성능 대 가격비(performance/cost ratio) 향상

 

▣ 기억장치 특성

▪ 액세스 속도가 높아질수록, 비트당 가격은 높아진다 

▪ 용량이 커질수록, 비트당 가격은 낮아진다
▪ 용량이 커질수록, 액세스 시간은 길어진다

▣ 컴퓨터 설계의 목표에 따른 기억장치 구성

▪ 성능 향상이 목표인 경우
➢가격이 비싸고 용량은 적더라도 액세스 속도가 높은 기억장치 사용

▪ 용량도 증가시키고 동시에 비용도 낮추기를 원하는 경우 

➢액세스 속도가 낮은 기억장치도 사용할 수 밖에 없음

 

▣ 계층적 기억장치시스템의 기본 구성 개념

▪첫 번째 계층 기억장치
➢속도가 빠르지만 가격은 높은 기억장치 사용

▪두 번째 계층 기억장치
➢속도는 느리지만 가격이 낮은 기억장치 사용

2-단계 계층적 기억장치

▣ 2-단계 계층적 기억장치(1단계: 고속, 소용량 / 2단계: 저속, 대용량)
▪ [원리] 원하는 데이터가 첫 번째 계층 기억장치(ML1)에 있다면 즉시 액세스하고, 만약 없다면 두 번째 계층의 기억장치(ML2)를 액세스하는 방식

[예] 첫번째계층기억장치의액세스시간=10ns
두 번째 계층 기억장치의 액세스 시간 = 100ns
액세스할 정보가 첫 번째 계층 기억장치에 있을 확률 = 50 %

➢평균 기억장치 액세스 시간 = (0.5 × 10ns) + (0.5 × 100ns) = 55ns

지역성의 원리 (principle of lacality)

▣ 지역성의 원리

▪ 프로그램이 처리되는 과정에서 기억장치 액세스들이 특정 영역에 집 중되는 현상

➢이유: 일반적으로 프로그램이 반복 루프들과 서브루틴들을 포함하고 있 기 때문

▪ 짧은 시간을 기준으로 보면, 프로세서가 기억장치의 한정된 몇 위치들 을 집중적으로 액세스하면서 작업을 수행

▪프로그램이 실행되는 동안, 지역성의 원리에 의해 첫 번째 계층의 기 억장치에 대한 액세스 횟수가 두 번째 계층의 기억장치에 대한 액세스 보다 훨씬 더 많음

➔평균 기억장치 액세스 시간 단축

기억장치 계층

▣ 기억장치 계층

▪ 상위 층으로 갈수록
➢ 비트당 가격이 높아지고, 용량은 감소하며,
➢액세스 시간이 짧아지고, CPU에 의한 액세스 빈도는 상승

▪ 하위 계층으로 내려갈수록
➢용량이 더 커지고,
➢비트당 가격은 떨어지며,
➢지역성의 원리로 인하여 액세스 빈도는 더 낮아진다.

▣ 캐시 메모리 (cache memory)

▪ 주기억장치의 액세스 속도가 CPU에 비하여 현저히 느리기 때문에 주 기억장치로부터 데이터를 읽어오는 동안에 CPU가 오랫동안 기다려야 하므로, 그에 따른 성능 저하를 줄이기 위하여 CPU와 주기억장치 사 이에 설치하는 고속의 반도체 기억장치

 

▣ 내부 기억장치 (internal memory)

▪CPU가 직접 액세스 할 수 있는 기억장치들
▪ CPU가 주소를 발생하고, 그 주소에 의해 지정된 기억장치로부터 데이터를 읽거나 쓰는 동작을 CPU가 직접 수행할 수 있음

▪ [예시] CPU 레지스터, 캐시 메모리, 주기억장치

 

▣ 외부 기억장치 (external memory)

▪ CPU가 직접 액세스할 수 없고, 장치 제어기(device controller)를 통해 서만 액세스할 수 있는 기억장치들

▪ [예시] 하드 디스크, SSD, CD-ROM

▪ 각 저장장치의 제어기 혹은 I/O 프로세서를 통해서만 데이터 저장 및 검색이 가능함

▪ 이와 같은 장치들을 2차 기억장치(secondary memory) 또는 보조저장 장치(auxiliary storage device)라고 부름

▪ 이 저장장치들에는 주로 프로그램 파일들과 데이터 파일들이 저장되 며, 바이트나 단어 단위가 아닌, 블록(block)이나 페이지(page) 단위로 만 액세스 할 수 있음

▣ 계층적 기억장치시스템 구성

▪ 하위 계층으로 내려갈수록 용량이 더 커지고 비트당 가격은 떨어지는 반면에, 지역성의 원리로 인하여 액세스 빈도가 더 낮아짐

▪ 즉, 하위 계층의 기억장치들은 속도가 느리지만 액세스 빈도는 낮으며, 더 많이 액세스되는 상위 계층의 기억장치들은 속도가 빠르기 때문에, 전체적으로 평균 기억장치 액세스 시간은 더 짧아지게 됨

▪ 결과적으로, 계층적 방식을 이용함으로써 더 적은 비용으로, 더 빠르 고, 더 큰 용량의 기억장치시스템을 구성할 수 있게 됨