컴퓨터의 기억 장치 20501003 강 윤 정.

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1 컴퓨터의 기억 장치 강 윤 정

2 목 차 기억 장치의 개념 주기억장치 보조 기억 장치 가상 기억 장치 고속 기억 장치

3 3.1 기억 장치의 개념 컴퓨터의 CPU가 작업을 하기 위해서 일련의 프로그램이나 데이터를 일시적으로
3.1 기억 장치의 개념 컴퓨터의 CPU가 작업을 하기 위해서 일련의 프로그램이나 데이터를 일시적으로 또는 일정 기간 동안 저장하기 위한 장치를 통칭하는 것.

4 3.1 기억 장치의 개념 3.1.1 기억 장치의 계층 비 트 간

5 3.1 기억 장치의 개념 3.1.2 기억 장치의 성능 <4가지 성능 분류 기준>
1.접근시간(Access Time) : 기억장치의 내용을 검색하는데 걸리는 시간, 빠를수록 좋다. 2.기억용량(Memory Capacity) : 필요한 데이터를 저장할 수 있는 공간, 큰 용량이 바람직하다. 3.비트가격(Bit Price) : 단위비트에 대한 가격,적을수록 유리. 4.접근방법(Access Mode) : 임의접근(Random Access)방법 순서접근(Serial Access)방법

6 3.1 기억장치의 개념 3.1.2 기억 장치의 성능 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 4 8 바이트 주소 지정
워드 주소 지정 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 4 8 <기억장치의 주소 지정 형태>

7 3.1 기억장치의 개념 3.1.2 기억 장치의 성능 1.임의접근방법( Random Access ) : 기억장치에 있는 주소의
순서와 관계없이 무작위로 원하는 위치에 접근하는 방식

8 3.1 기억장치의 개념 3.1.2 기억 장치의 성능 2.순서접근방법( Serial Access ) : 기억 장소를 접근하는
판독/기록 헤드 : 기억 장소를 접근하는 시간이 저장되어 있는 위치에 따라 비례하는 방법 움직임 방향 저장 위치

9 3.1 기억장치의 개념 3.1.3 기억 장치의 특성 기억 장치의 유형 정보 판독 시간 흐름 전원 공급 파괴성 기억 장치
비파괴성 기억 장치 동적 기억 장치 정적 기억 장치 휘발성 기억 장치 비휘발성 기억 장치 <기억 내용의 보존성에 따른 기억 장치의 분류>

10 3.1 기억장치의 개념 3.1.3 기억 장치의 특성 정보 판독 파괴성 기억 장치( Destructive Memory)
: 기억 내용을 읽었을 때 기억 내용이 상실되는 것. 비파괴성 기억 장치( Non Destructive Memory) : 기억 장치의 기억 내용을 읽은 후에도 저장된 내용에 변화를 주지 않는 것.

11 3.1 기억장치의 개념 3.1.3 기억 장치의 특성 2. 시간 흐름 동적 기억 장치(Dynamic Memory)
:일정한 시간마다 주기적으로 재충전을 시켜야하는 기억장치. 정적 기억 장치(Static Memory) : 전원이 공급되는 동안은 기록 명령 없이는 무한히 변화하지 않는 것.

12 3.1 기억장치의 개념 3.1.3 기억 장치의 특성 3. 전원 공급 휘발성 기억 장치(Volatile Memory)
:전원공급이 중단되면 기억된 내용이 소멸되는 것 비휘발성 기억 장치(Non – volatile memory) : 전원공금이 중단되더라도 기억되어 있던 내용에 변화가 없는 것

13 3.2 주기억장치 : CPU가 직접 사용할 수 있는 정보를 기억시켜 놓는 기억장치. 1. 수행 중인 프로그램의 기억 장소
< 주기억장치의 사용 용도> 1. 수행 중인 프로그램의 기억 장소 2. 수행 중인 프로그램이 사용하는 데이터 기억 장소 3. 수행 중인 프로그램이 사용할 임시 기억 장소 4. 보조 기억 장치를 위한 버퍼

14 3.2 주기억장치 3.2.1 RAM과 ROM RAM : 공급되고 있는 전원이 중단되면 기억되어 있던 내용이 지워지는 휘발성 기억장치. ROM : 전원이 중단되어도 기억되어 있던 내용이 지워지지 않는 비휘발성 기억장치. 기억 장치 RAM ROM 마스크 ROM PROM EPROM EEPROM SRAM DRAM

15 3.2 주기억장치 3.2.1 RAM과 ROM 구 분 동 적 램(SRAM) 정 적 램(DRAM) 약어
Static Random Access Memory Dynamic Random Access Memory 특징 플립플롭으로 구성 전원이 공급되는 동안 정보유지 콘덴서 일정시간이 지나면 정보 소멸 재충전회로 필요없다 소비전력 많다 적다 집적도 낮다(저밀도) 높다(고밀도) 접근속도 빠르다 느리다 용도 캐쉬 메모리 주기억 장치

16 3.2 주기억장치 3.2.1 RAM과 ROM 종 류 내 용 응용분야 MASK ROM
내 용 응용분야 MASK ROM 생산시 미리 쓰여져서 나오는 것으로 한번 쓰면 지울 수가 없음 프로그램 저장용, 터미널 및 프린터의 문자 기억용 PROM (Programmable ROM) 프로그램 가능한 ROM으로 데이터가사용자에 의해 한번 쓸 수 있음 소형 컴퓨터의 마이크로 프로그램 제어용, 가정용품 제어용 EPROM (Erasable PROM) 전기적으로 읽고 쓸 수도 있음 쓰기 전에 자외선을 이용하여 저장 되어 있는 내용을 지워야 함 소프트웨어 개발 및 연구용 EEPROM (Electrically EPROM) 전기적으로 지울 수 있는 PROM 쓰기 위해 먼저 지울 필요 없다는 편리함을 가짐 프로그램 및 데이터 교정용 Flash 메모리 일종의 비휘발성 기억장치 휴대형 컴퓨터의 하드 디스크 대용 또는 보충용

17 3.2 주기억장치 3.2.2 RAM 칩의 구조 16 ⅹ4 16 = 4비트 데이터RAM 16개를 의미
I1 I2 I3 I4 a1 a2 a3 a4 O1 O2 O3 O4 CS R/W < 16 ⅹ 4로 구성된 RAM 칩의 모형 > 16 = 4비트 데이터RAM 16개를 의미 4 = RAM 한번 접근하여 얻을 수 있는 데이터의 비트수가 4비트를 의미 ◆ 사용할 칩의 구성 형태가 결정되고, 단어의 수를 고려하지 않은 상태에서 최소로 필요한 칩의 수는 칩의 수 = (기억 장치의 단어당 비트 수(N) / (칩의 단어당 비트 수) (예) 8  8 RAM 칩으로 8  16 기억 장치를 구성할 경우 필요한 칩의 수  16/8 = 2 개

18 3.2 주기억장치 3.2.3 주기억장치의 구성 기억 장치 제어 M A R B 기 억 소 자 배 열 버 퍼 주 선 택 회 로
RE WE CS R/W 8 판독 기록 출력 자료 입력 자료 주소 10 A0 A9 D0 D7 1024 ⅹ 8 < 주기억장치의 구성 요소 >

19 3.2 주기억장치 3.2.4 주기억장치의 동작 <기억소자배열에 기억되어 있는 데이터 읽는 방법>
1.MAR에 읽고자 하는 단어의 주소를 옮긴다. 2.읽기/쓰기 제어 신호 단자에 읽기신호를 가한다. 3.MBR에 나타난 데이터를 읽어간다. <외부에서부터 기억장치에 데이터를 기억시키기 위한 방법> 1.MAR에 쓰고자 하는 단어의 주소를 옮긴다. 2.MBR에 기억시키려는 데이터를 옮긴다. 3.읽기/쓰기 제어 신호 단자에 쓰기신호를 가한다.

20 자기 테이프에 데이터를 기록하는데 사용되는 장치이다
3.3 보조 기억 장치 : 대량의 정보를 기억시켜 놓고 관리하기 위한 장치 3.3.1 자기테이프 자기 테이프는 수록된 데이터의 판독과 아울러 자기 테이프에 데이터를 기록하는데 사용되는 장치이다 < 특성 > 1.숫자나 문자를 기록 2.기록 밀도가 높고, 기억 용량이 무한정함 3.보관 및 운반이 용이함 4.재사용 가능 5.순차적 처리 6.가격이 저렴 7.접근시간이 길다.

21 3.3 보조 기억 장치 3.3.1 자기테이프 < 구성 >
- BOT (Beginning Of Tape) : 테이프의 시작 위치를 나타냄 - EOT (End Of Tape) : 테이프의 끝 위치를 나타냄 - BPI (Byte(Bit) Per Inch) : 기록밀도로, 1인치에 기록할 수 있는 문자 수(또는 비트수)

22 3.3 보조 기억 장치 3.3.1 자기테이프 < 데이터 기록 형태 > 1. 논리레코드 (Logical Record)
< 데이터 기록 형태 > 1. 논리레코드 (Logical Record) 레코드와 레코드 사이의 공백 2.물리레코드 (Phisical Record) 블록과 블록 사이의 공백

23 3.3 보조 기억 장치 3.3.1 자기테이프 레코드 수 =테이프 길이 / ( IBG + 1블록의 길이 / 기록 밀도) * 블록당 레코드 수 Ex) 자기테이프 길이: 2400피트 / 기록밀도: 6250BPI / IBG : 0.3 인치 / 한 레코드의 길이 : 200byte 1. 블록화되지 않은 상태 : 2400 * 12 / ( / 6250 ) * 1 = 86,746 레코드 2. 블록화된 상태 : 2400 * 12 / ( *10 / 6250 ) * 10 = 레코드

24 3.3 보조 기억 장치 3.3.2 자기디스크 < 구성 > : 데이터를 직접 또는 임의로 처리할 수
있는 직접 접근 저장 장치 (DASD) 자기 성분을 이용하여 컴퓨터에서 생성되는 데이터를 반영구적으로 저장할 목적으로 사용되는 기억장치 < 구성 > 트랙 : 동심원을 이루고 있는 각 원형의 기록 위치 실린더 : 중심축으로부터 같은 거리에 있는 트랙들의 모임 섹터 : 한 트랙에서 주소가 지정된 최소 단위 클러스터 : 데이터를 저장하기 위한 단위 (몇 개의 섹터가 하나의클러스터로 취급) 부트섹터 : 0번 트랙의 0번 섹터 TPI(Track Per Inch) : 기록밀도를 나타내는 단위

25 섹터위치를 찾기 위한 인덱스 홀 (index hole)
3.3 보조 기억 장치 3.3.3 플로피 디스크 1979년 IBM사에서 디스켓이라는 이름으로 발표됨 표준 플로피 디스크 : 8인치 미니 플로피 디스크 : 5.25인치 콤팩트 디스크(마이크로 플로피 디스크) : 3.5인치 사용자 레이블 기록 방지용 홈 제조회사 레이블 디스크 섹터위치를 찾기 위한 인덱스 홀 (index hole) 드라이브 스핀들 홀 보호 자켓 판독/기록 슬롯 위치 선정용 홀

26 3.3 보조 기억 장치 3.3.4 하드 디스크 3.3.5 광 디스크 <구성> <특징> <종류>
플래터(디스크 원판) -데이터를 보관하는 원판 스핀들 모터 -플래터를 회전시킴 헤드 -데이터를 읽고 저장함 컨트롤러 -시스템버스와 하드디스크 사이에 데이터를 전송 <특징> 1.임의 접근이 가능하다 2.접근에 의해 디스크가 마모되지 않음 3.잡음 발생 4.높은 기록 밀도 5.내구성,보전성 <종류> CD-ROM : 정보읽기만 가능 WORM : 판독만 가능, 문서/비디오용 파일 MO DISK : 삭제디스크

27 3.4 가상 기억 장치 CPU가 실행을 위해 요구하는 프로세스의 정보가 항상 주 기억 장소에 있는 것처럼 착각 하게 하는 기술
실행 중인 프로세스가 참조하는 주소를 실제 주 기억 장치에서 사용 가능한 주소와 분리하여, 사용자에게 주 기억 장치의 용량보다 훨씬 더 큰 가상 기억 공간을 사용할 수 있도록 하는 것. < 이점 > ① 프로그램은 실제 가용 기억 공간에 의해 더 이상 제약을 받지 않는다. ② 보다 많은 프로그램들을 똑같은 시간에 수행시킬 수 있으므로 CPU의 이용률과 처리율을 증가시킬 수 있다. ③ 각 사용자 프로그램들이 기억 장치에 적재 또는 교체되기 위해 필요한 입출력들이 보다 적어지기 때문에 각 사용자 프로그램들은 보다 빨리 수행될 수 있다.

28 3.4 가상 기억 장치 < 기본 원리> 프로세스를 여러개의 블록(페이지 또는 세그멘트)으로 나누어 보조기억장치에
                                                                                                     프로세스를 여러개의 블록(페이지 또는 세그멘트)으로 나누어 보조기억장치에 저장해 놓고 실행에 필요한 블록들만 주기억 장치에 적재하여 처리하는 방식 - 가상 기억 장치를 가지는 시스템에서는 보조 기억 장치의 전체 용량에 해당하는 큰 주소 공간을 논리적인 주소 공간으로 하여 프로그램을 작성하고 주 기억 장치의 물리적인 주소 공간으로 변환(mapping)한다.

29 3.4 가상 기억 장치 3.4.1 페이징(Paging) 기법 가상 기억 장치 내의 프로그램과 데이터를 일정하고 고정
되게 분할한 용량을 주기억장치에 사상시키는 방법 < 장 점 > - 동적 주소 변환을 이용하여 다중 프로그래밍 효과 증진 (CPU가 요구하는 페이지만 메모리에 유지함으로써 주기억 장소의 낭비를 최소화) - 큰 가상 기억 장치 제공 - CPU 이용률을 증가 - 자동 오버레이 지원 - 외부 단편화 방지(fragmentation) - 페이지의 공유 - 재배치기가 불필요 < 단 점 > - 주소변환에 따른 하드웨어 비용상승과 CPU 오버헤드 증가 - 세그먼테이션에 비해 효율적인 논리 주소공간 관리 나쁨 - 내부 단편화 발생

30 [그림] 논리적인 주소를 물리적인 주소로 변환하는 과정
3.4 가상 기억 장치                                                                                                          [그림]  논리적인 주소를 물리적인 주소로 변환하는 과정 - 프로그램 내의 각 논리적인 주소는 페이지 번호와 페이지 내의 상대적인 주소로 구성 - CPU는 페이지 테이불을 이용하여 논리적인 주소를 물리적인 주소로 변환

31 3.4 가상 기억 장치 3.4.1 페이징(Paging) 기법 주소 변환 ( Address Translation)
순수 페이징(Pure Paging) 기법 : 페이지 단위로 나누어진 사용자 프로그램의 전체를 미리 적재해 놓고 실행하는 것. 요구 페이징(Demand Paging) 기법 : 프로그램 실행 도중 필요할 때 요구되는 한 페이지씩을 적재하여 실행하게 하는 것. 주소 변환 ( Address Translation) : 가상주소와 실제의 물리적 주소 사이의 관계를 만들어 주는 작업 직접 사상 ( Direct Mapping)에 의한 페이지 주소 변환 연관 사상 ( Associative Mapping )에 의한 페이지 주소 변환 연관/직접 사상 (Associative / Direct Mapping )에 의한 페이지 주소 변환

32 3.4 가상 기억 장치 3.4.2 세그먼테이션 기법 페이지와 같이 고정 크기로 나누는 것이 아니라, 배열이나 함수와
같은 논리적인 다양한 크기인 세그먼트로 나누어 관리하는 기법 2차원 주소 방식이라고도 하며 페이지 방식과 매우 유사  - <세그멘트>, <페이지>, <줄>의 세 가지 부분으로 나누어 질 수 있음   - 세그멘테이션을 채용하고 있는 컴퓨터의 주소 방식은 <세그멘트 주소>와 <세그멘트 내의 주소>로 구성   - 각 명령어의 주소부는 우선 세그멘트를 선택하고 다음에 세그멘트 내의 주소를 지정   - 실제의 기억 장치 내에 각 세그멘트가 어떻게 저장되어 있는가를 표시하기 위하여 세그먼트 테이블이 사용   - 세그먼트 테이블에는 각 세그멘트의 베이스 주소가 저장되어 있고 이것에 세그멘트 내 주소가 더해져서 실효 주소가 얻어 진다.

33 3.4 가상 기억 장치                                                                                      [그림]  세그멘테이션과 주소의 생성법

34 [그림] 세그먼테이션과 페이지 주소 방식을 조합한 경우의 주소 생성법
3.4 가상 기억 장치 ■  세그먼테이션와 페이지 주소 방식의 조합 - 주소 생성은 세그먼트 테이블과 페이지 테이블의 2 단계의 주소 변환을 실행                                                                                                        [그림] 세그먼테이션과 페이지 주소 방식을 조합한 경우의 주소 생성법

35 독자적으로 데이터를 저장할 수 있는 기억 장치 모듈을
3.5 고속 기억 장치 3.5.1 복수 모듈 기억 장치 독자적으로 데이터를 저장할 수 있는 기억 장치 모듈을 여러 개 가진 기억 장치 주기억 장치와 CPU의 속도차의 문제점을 개선 기억 장소로의 접근을 보다 빠르게 함 복수 모듈 기억 장치에 사용되는 각각의 기억장치는 자체의 어드레스 레지스터와 버퍼 레지스터를 가지고 독자적으로 데이터를 저장

36 3.5 고속 기억 장치 3.5.1 복수 모듈 기억 장치 < 복수 모듈 기억장치의 구성 >

37 연속된 데이터 또는 명령어들을 기억장치 모듈에
3.5 고속 기억 장치 3.5.2 인터리빙 기억 장치 연속된 데이터 또는 명령어들을 기억장치 모듈에 순차적으로 번갈아 가면서 기억시킨 장치 한번의 접근시간으로 여러 모듈에 저장된 연속적인 주소의 정보에 동시 접근하도록 하는 기법 < 단 점 > 1.메모리 확장이 어려움 2.메모리의 주소가 각 모듈에 대하여 번갈아 부여되므로, 새로운 모듈이 추가되면 주소 연결이 완전히 변경되어야 한다

38 3.5 고속 기억 장치 3.5.2 인터리빙 기억 장치 M0 CPU M1 Mn-2 IOP Mn-1 주 기 억 장 치
기억장치 스위치 네트워크 모듈 주소 M0 M1 Mn-2 Mn-1 A0, Ai, A2i, A3i …… A1, Ai+1, A2i+1, A3i+1 …… A2, Ai+2, A2i+2, A3i+2 …… A3, Ai+3, A2i+3, A3i+3 …… <인터리빙 기억 장치의 구성>

39 기억된 정보의 일부분을 이용하여 원하는 정보가 기록된
3.5 고속 기억 장치 3.5.3 연관 기억 장치 기억된 정보의 일부분을 이용하여 원하는 정보가 기록된 위치를 찾고 그 위치에서 나머지 정보에 접근 데이터의 내용으로 병렬 탐색을 하기에 알맞게 되어 있으며, 탐색은 전체 워드 또는 한 워드의 일부만을 가지고 시행될 수 있다. 검색시간이 아주 중요하며 짧아야 하는 곳에 주로 이용 각 셀이 저장 능력 뿐 아니라 외부 인자와의 내용을 비교하기 위한 비교 논리 회로를 가지고 있어 RAM보다 비싸고 구현이 복잡하다. < 연관 기억 장치 특징 > 1. 기능 메모리이며 여러 가지 논리 기능을 수행할 수 있으며 고속이다. 2. 규칙성을 가진다.

40 3.5 고속 기억 장치 3.5.4 캐시 기억 장치 명령어의 수행 속도가 주기억장치의 속도에 제한을 받지
않고 가능한 중앙 처리장치의 속도로 수행되도록 하는 장치 중앙 처리 장치와 주기억 장치 사이에 존재하는 접근 속도가 빠른 소규모 기억장치

41 3.5 고속 기억 장치 3.5.4 캐시 기억 장치 1. 동작 순서 1. 중앙 처리 장치가 주 기억 장치로부터 한 워드를 읽으려고 할 때는 먼저 그 워드가 캐시에 있는 지를 검사한다 2. 만약에 있으면 그 워드가 중앙 처리 장치로 전달되고 그렇지 않으면 그 워드가 포함된 한 블록이 주 기억 장치로부터 캐시로 읽혀지고 동시에 중앙 처리 장치로 전달된다 2. 적중(Hit) 중앙 처리 장치가 주 기억 장치를 참조할 때 캐시에서 참조하고자 하는 워드를 찾을 경우 3. 실패(Miss) 원하는 워드를 캐시에서 못 찾을 경우 4. 적중률(hit ratio) 적중률   = (적중의 수) / (주 기억 장치 접근의 총수) = (적중의 수) / (적중의 수 + 실패의 수) (보통 0.9 이상의 값을 가지고 있다)

42 3.5 고속 기억 장치 3.5.4 캐시 기억 장치 중앙 처리 장치가 원하는 정보가 캐시 기억 장치에 없을 경우
페이지 교환 알고리즘을 이용 < 페이지 교환 알고리즘 종류 > 1. 임의( Random ) 교환 방식 2. FIFO( First - in First - out ) 교환방식 3. LFU ( Least Frequently Used) 교환방식 4. LRU ( Least Recently Used) 교환방식