[CA-14] 기억장치

1. 기억장치의 분류

2. 기억장치 계층 구조

• 주기억장치 > 레지스터(CPU) = load
• 레지스터(CPU) > 주기억장치 = store
• 주기억장치 > 보조기억장치 = save
• 보조기억장치 > 주기억장치 = load

3. 기억장치의 특성을 결정하는 요소

- 접근시간(Access time)

• 접근시간 = 탐색 시간(Seek time) + 대기시간(Latency Time) + 전송시간(Transmission Time)

- 접근시간이 빠른 순서

• Associative(연관) memory > Cache memory > main memory > magnetic disk

- 사이클 시간(Cycle time) 

• 기억장치에 접근을 위하여 판독 신호를 내고 나서 다음 판독 신호를 낼 수 있을 때까지의 시간
• Cycle Time >= Access Time

- Bandwidth(대역폭, 전송률)

• 기억장치의 자료 처리 속도를 나타내는 단위로, 기억 장치를 연속적으로 액세스 할 때 초당 처리할 수 있는 비트 수를 말함
• 계속적으로 기억장치에서 데이터를 읽거나 기억시킬 때 1초 동안에 사용되는 비트수
• 메모리 워드의 길이가 작을수록 대역폭이 좋음
• 전송 단위 : Baud(보) = bps(1초당 전송 가능한 비트수)

4. 기억장치의 구분

- 내용 보존 여부 

• 파괴성 메모리(Destructive Memory) - 자기 코어
• 비 파괴성 메모리

- 전원 단절 시 내용 소멸 여부

• 휘발성 메모리(Volatile Memory)
• 비 휘발성 메모리

- 접근 방식

• 순차 접근 저장 매체(SASD, Sequential Access Storage Device) - 자기 테이프
• 직접 접근 저장 매체(DASD, Direct Access Storage Device)

- 재충전 여부

• 정적 메모리(SRAM)
• 동적 메모리(DRAM)

- 기억 보호(Memory Protection)

• 메모리의 각 블록에 허락할 수 있는 접근 형태를 지정하는 보호 비트를 둠으로써 이루어 짐

5. 주기억 장치

- 주기억장치의 개요

• CPU가 직접 접근하여 처리할 수 있는 기억장치, 현재 수행되는 프로그램과 데이터를 저장

- 주기억장치의 성능을 좌우하는 요소

• 기억용량, 기억 사이클 타임, 기억 액세스 폭

- 주기억장치의 밴드 폭(Bandwidth)

• 하드웨어의 특성상 주기억장치가 제공할 수 있는 정보 전달 능력의 한계

- ROM(Read Only Memory)

• 비휘발성 메모리
• 마이크로 프로그램을 저장하는 제어 메모리는 주로 ROM 메모리를 사용
• 실제 주기억장치 보단, 기본 입출력 시스템(BIOS)과 자가 진단 프로그램(POST) 같이 변경 가능성이 없는 시스템 소프트웨어를 기억시키는 데 사용
• Mask Rom - 제조회사에서 1회 입력
• PROM - 사용자가 단 1회 입력 가능
• EPROM - 자외선으로 초기화
• EEPROM - 전기적인 충격으로 초기화

6. 주기억장치의 분류

• RAM(Random Access Memory) - 실제 주기억장치로 사용이 되며 자유롭게 읽고 쓸 수 있는 기억장치

• 자기 코어(Magnetic Core) - 파괴성 메모리로 자기의 전류 방향에 따라 1 또는 0의 값을 가짐

7. 반도체 기억소자 구성

RAM/ROM의 용량 계산법

• 워드의 수 = 입력 번지선의 수 = 주소선의 수 = MAR = PC
• 워드의 크기 = 출력 데이터선의 수 = Data Bus의 비트 수 = MBR = DR = IR

<예>

- 기억용량이 1 Mbyte 일 때 필요한 주소선의 수는?

• 1 Mbyte = 2의 20승 이므로 20개의 주소선이 필요

- 입력 번지 선이 8개, 출력 데이터 선이 8개인 ROM의 기억용량은?

• 2의 8승(입력 번지 선)과 8bit(출력 데이터 선)을 곱하면 256*8이므로 256byte가 됨

- 기억장치의 총용량이 4096 워드이고, 워드 길이가 16bit일 때 프로그램 카운터(PC), 주소 레지스터(AR), 데이터 레지
스터(DR)의 크기?

• 4,096 × 16 = 2^12 × 16이고, 워드의 수=주소선의 수=(M) AR=PC 이므로 PC=12, AR=12, 워드 길이(크기)가 16bit이고, 워드 크기=DR 이므로 DR=16

8. 기억용량 계산 예제

• 워드의 수 = 입력 번지선의 수 = 주소선의 수 = MAR = PC
• 워드의 크기 = 출력 데이터선의 수 = Data Bus의 비트 수 = MBR = DR = IR

<예>

- 메인 메모리의 용량이 1,024K*24Bit 일 때, MAR과 MBR의 길이는 각각 몇 비트?

• MBR=24, MAR=20 / 1,024K = 2^10 × 2^10(∵K = 2^10 = 1,024) = 2^20

- 컴퓨터의 메모리 용량이 16K*32bit라 하면 MAR와 MBR은 각각 몇 비트?

• MAR=14, MBR=32 / 16K = 16 × 2^10 = 2^4 × 2^10 = 2^14 ∴ MAR = 14

- 가로 세로 각각 32개로 구성된 core plain을 16장 겹쳐 쌓은 기억장치의 기억 용량은 몇 K워드?

• 코어는 1개의 워드를 구성하는 비트수만큼 Core Plain을 겹쳐 쌓음 즉, 16장이므로 16bit가 1 워드 임. 가로 세로 각 32개이므로 32*32=1024, 즉 1K임

- 마이크로 프로그램의 크기가 2048 * 64비트, 마이크로 인스트럭션의 수가 128개일 때 Nano programming을 위한 
컨트롤 스토어(control store)의 크기는?

• 나노 프로그램을 위한 제어 메모리의 크기는 마이크로 프로그램의 크기 * 명령어의 수를 나타낼 수 있는 비트수 이므로 128 = 2^7 = 2,048 × 7 비트의 제어 메모리가 필요

9. 보조기억장치

- 자기 테이프(Magnetic Tape)

 

• 순차처리(SASD)만 할 수 있는 대용량 저장 매체
• 블록 팩터(Block Factor)=블록 크기 / (논리) 레코드의 개수
• 하나의 블록 내에 통합되어 있는 논리 레코드의 개수
• IRG(Inter Record Gap) = 논리 레코드 사이의 경계
• 예> 자기 테이프 Record 크기가 80자로서 블록의 크기가 2400자일 경우 블록 팩터? 2400/80=30

- 스테이징(Staging)

• 자기 테이프 등과 같은 대용량의 보조 기억장치의 내용을 직접 접근이 가능한 영역으로 이동하여 컴퓨터 시스템에서 자료를 접근할 수 있도록 하는 기능
• 가상 기억 체제에서 보조기억장치에 저장되어 있는 프로그램을 주기억장치로 옮기는 것처럼, 느린 장치에서 빠른 장치로 옮겨가는 것

- 자기 드럼(Magnetic Drum)

• 자기 디스크에 비해 속도가 빠름
• 순차, 비순차(직접) 처리가 모두 가능한 DASD(Direct Access Storage Device) 방식
• 기억용량=드럼 표면의 트랙당 셀 수 * 트랙 수
• 예> 자기 드럼 기억장치의 드럼 표면이 트랙당 5000개의 셀로 된 30개의 트랙으로 구분되어 
   있다면 몇 비트의 정보를 기억? 5,000*30=150,000비트

- 자기 디스크(Magnetic Disk)

• 용량이 크고 접근 속도가 빠름
• 순차, 비순차(직접) 처리가 모두 가능한 DASD(Direct Access Storage Device) 방식
• 가상 메모리로 사용할 수 있음
• 자기 디스크 구성요소 - 읽고 쓰기 헤드, 디스크, 액세스 암(실린더 : 물리적 구성요소가 아니라 논리적인 의미의 용어) Access Time=Seek Time + Rotational Delay Time(Latency time)+Transmission Time - 디스크의 용량=면수*트랙 수*섹터수*섹터당 바이트 수

* 등각 속도(Constant Angular Velocity)

• 디스크 저장 매체에서 디스크 회전 속도를 일정하게 하고 디스크의 회전각에 따라 데이터를 저장하는 방식
• 디스크 외/내각이 회전 속도 차이로 데이터의 밀도가 다라 저장공간의 낭비가 생김