Memory (기억장치)¶
컴퓨터는 어찌보면 입력된 데이터들을 처리하고 그 결과를 출력하는 장치 라고 볼 수 있다.
데이터 처리는 데이터 등에 해당하는 여러 bit를 조작해야만 하며, 이들을 저장할 장소가 필연적으로 요구된다.
컴퓨터에서 bit들을 저장하는 장소를 memory (기억장치)라고 부른다.
넓은 의미에서의 memory는 storage (주로 block device)를 포함하기도 하나,
이 문서에서는 좁은 의미의 memory (보다 일반적인 용어)에 초점을 맞춘다.
Memory Location and Address¶
memory에 대한 접근은 address를 통해 이루어짐 (이를 Random Access라고 부름).
- address가 다르면 memory내의 위치가 다름.
- Memory의 각 1 byte별로 address를 할당하는 Byte oriented addressing이 사용됨.
과거 일부 컴퓨터 시스템에서는 워드 지향 주소 지정(Word-Oriented Addressing)을 사용하여, 메모리 주소가 바이트가 아닌 워드(일반적으로 2바이트, 4바이트 또는 그 이상의 단위)를 가르키는 경우도 있었지만 오늘날에는 사용되지 않는다.
위 그림에서 집들은 1byte의 같은 크기를 가지는 각각의 memory location을 의미한다.
- 각각의 집(memory location)에는
byte address가 할당되어 있음. - 64bit computer의 경우 이런 memory location이 \(2^{64}(=n)\)개 존재할 수 있음.
- Memory Lane = Memory bus, City Center = CPU
Memory의 address를 지정할 때, byte들을 2개, 4개, 또는 8개를 묶어서 지정하는게 일반적이다. 현재의 64bit computer에서는 8개의 byte를 묶어서 한번에 지정한다.
Memory Address and OS¶
64bit computer 인지 32bit computer 인지 구분은
실제로는 CPU 내의 memory(기억장치)인 register의 크기로 결정 됨.
64bit computer 는 CPU 내의 register의 크기가 64bit임.
memory에 저장된 값을 CPU가 접근 하기 위해서는
cpu내 register에 address가 저장 되어야 하기 때문에
몇 비트 컴퓨터이냐에 따라 가용 memory의 한계가 결정됨.
- 16bit computer는 memory address를 \(2^{16}\)가지로 지정 가능. 이는 2bytes로 address를 지정함을 의미. (16bit를 word라고 자주 부름)
- 32bit computer는 memory address를 \(2^{32}\)가지로 지정 가능. 이는 4bytes로 address를 지정함을 의미. (32bit를 long word라고 자주 부름)
- 64bit computer는 memory address를 \(2^{64}\)가지로 지정 가능. 이는 8byte로 address를 지정함을 의미.
64bit computer의 경우, \(2^{64}\) bytes에 해당하는 address를 가질 수 있으나, 실제 memory addressing에는 전체 64bit 중 하위 48bit만 사용 함.
C언어에서의 pointer variable (포인터 변수) 의 크기(자료형의 크기)를 보면, 해당 memory address가 어느정도 크기인지를 알 수 있음.- 64bit computer가 제대로 동작하려면, HW 측면 외에도 SW 적으로도 64bit가 지원되어야 함.
- 무엇보다 OS부터 64bit OS를 설치해야 함.
\(2^64\) 은 16,777,216 TiB (Tebibytes, 2의 40승)의 어마어마한 수임.
Nonaligned Access¶
32bit Computer의 경우, Memory에서 32bit 단위 즉 4개의 byte가 묶여서 읽을 수 있음 (register의 크기에 맞추어 생각하자)
때문에 보다 효과적인 데이터 읽기를 위해, 데이터를 Memory에서 특정 기준에 맞춰 정렬시켜 저장시키는데 이를 가르켜 Memory Alignment 라고 부른다.
예를 들어, 4바이트의 int 타입의 데이터는 memory에서 시작주소가 4의 배수가 되는 곳에 저장시킨다.
정렬되지 않은 방식으로 데이터가 저장될 경우, 성능 저하와 오류가 발생할 수 있기 때문에 padding등을 통해 Aligned memory가 되도록 처리되는 경우가 많다.
다음 그림은 Memory Alignment가 왜 필요한지를 보여준다.
4개의 byte가 한번에 읽어들여지는 방식으로 동작하는데, 아래 그림처럼 5,6,7,8의 byte address 를 차지하고 있는 경우에는 2번의 access가 필요하게 되며 이는 성능 저하로 이어진다.
- 참고로 일반적으로
inttype으로 수치 데이터를 다루는 것이 가장 빠름. - 하지만 실수형 데이터(real number)를 다룰 때는
double이나float중 에서 골라야 함(정수형보다는 느림.): 라이브러리에서 기본으로 지정된 것을 사용하는게 가장 좋다.
price/performance ratio and Access time¶
register- 속도는 최고이나 가장 비싸고 많은 데이터 저장이 어려움. CPU 내부에 위치. ALU등이 바로 사용하는 작은 크기의 데이터를 담고 있음. (flip-flop으로 구성됨)
SRAM (Cache)- register보단 느리나 충분한 속도를 가짐. register보단 동일 가격에 보다 많은 데이터를 저장할 수 있음. CPU 내부에 위치 (register보다는 거리가 멀리 있으며 거리순에 따라, l1, l2, l3등으로 나뉨)
DRAM- 주기억장치로 많이 사용됨. SRAM보다는 느리지만 가성비는 보다 나음. 보통 RAM이라고 하면 DRAM을 가르킴
HDD- 보조기억장치의 대표격으로 속도는 매우 느리지만, 같은 비용에 매우 많은 데이터를 저장 가능함.
SSD- HDD를 대신하는 보조기억장치로 떠오르고 있음. HDD보다 빠른 ACCESS를 보이나 비용이 아직은 HDD보다 높음.
- capacitance (용량)은 아래로 갈수록 커짐.
throughout은단위시간당 처리량(속도)로 위로 갈수록 커짐.