4.2. 다양한 스토리지 유형

4.2.1. CPU 레지스터

모든 최신 CPU에는 레지스터가 포함되어 있으며, 레지스터는 현재 실행 중인 명령의 주소를 기억하기 부터 다용도 데이터 저장 및 조작에 이르기까지 여러가지 용도로 사용됩니다. CPU 레지스터는 그 밖의 다른 CPU와 동일한 속도로 실행됩니다; 그렇지 않으면 전체 시스템 성능면에서 심각한 병목 현상이 초래될 것입니다. 그 이유는 CPU가 작업을 수행시 거의 매번 레지스터를 사용하기 때문입니다.

CPU 레지스터의 수와 용도는 CPU 자체의 아키텍쳐의 종류에 따라서 달라집니다. 다른 아키텍쳐로 CPU를 변경하지 않는 한 CPU 레지스터의 수를 변경하는 것은 불가능합니다. 이렇듯 오직 막대한 비용과 노력을 들일 경우에만 변경할 수 있으므로, CPU의 레지스터의 수는 불변하다고 할 수 있습니다.

4.2.2. 캐시 메모리

캐시 메모리는 매우 속도가 빠르지만 제한된 CPU 레지스터 및 RAM[1]이라고도 부르는 비교적 느리며 훨씬 용량이 큰 주 시스템 메모리 사이에서 버퍼로 작동합니다. 캐시 메모리는 CPU와 비슷한 속도로 실행되기 때문에 CPU가 캐시에 저장된 자료에 접근시 기다릴 필요가 없습니다.

캐시 메모리는 RAM에서 데이터를 읽을때마다 시스템 하드웨어가 먼저 이 데이터가 캐시에 존재하는지 찾아보도록 설정되어 있습니다. 만일 이 데이터가 캐시에 존재한다면, CPU는 보다 신속하게 이 데이터를 가져와서 사용할 수 있습니다. 그러나 이 데이터가 캐시에 존재하지 않는 경우에는 RAM에서 이 데이터를 가져와서 CPU로 전달하면서 동시에 향후 사용을 위하여 캐시에도 저장해둡니다. CPU의 관점에서 보면 이 모든 작업이 투명하게 진행되기 때문에 캐시에서 데이터를 읽어오는 것과 RAM에 있는 데이터를 읽어오는 작업의 차이점은 데이터를 읽는 속도가 다르다는 점 밖에 없습니다.

스토리지 용량 면에서 캐시는 RAM 보다 훨씬 작습니다. 따라서 RAM의 모든 바이트를 저장하기 위해서는 캐시가 불충분하기 때문에 캐시를 여러 부분으로 나누어 RAM을 부분적으로 저장해야 하며, 각 캐시 영역이 다른 시간에 서로 다른 영역의 RAM을 저장하게 해주는 메커니즘이 필요합니다. 이렇게 캐시와 RAM은 용량면에서 차이가 있지만, 스토리지의 순차적 접근과 지역화 접근 속성 덕분에 소량의 캐시로도 다량의 RAM을 효과적으로 빠르게 접근 가능합니다.

CPU에서 데이터를 기록하는 작업은 보다 복잡하며, 두가지 다른 방법을 사용 가능합니다. 어떠한 방법을 사용하든 우선 데이터는 캐시에 기록됩니다. 그러나 캐시는 RAM의 일정 부분을 매우 빠르게 복사해오는 기능만하므로, 만일 데이터의 값이 변경될 경우에는 새로운 값을 캐시 메모리와 RAM 모두에 다시 기록해야 합니다. 그렇지 않으면 캐시에 저장된 데이터와 RAM의 데이터가 일치하지 않게됩니다.

이것에 대한 해결책으로 두가지 방법이 사용됩니다. 첫번째 방법은 write-through 캐싱으로서 수정된 데이터를 즉시 RAM으로 기록하는 방법입니다. 그러나 두번째 방법인 Write-back 캐싱은 수정된 데이터를 일정 시간 동안 기다린 후에 RAM으로 기록합니다. 이렇게 기다리는 이유는 자주 수정되는 데이터를 RAM에 기록해야하는 횟수를 줄이기 위해서입니다.

Write-through 캐시는 보다 간단하게 구현 가능하기 때문에 보다 자주 사용됩니다. 반면에 Write-back 캐시를 보다 복잡합니다. 실제 데이터를 저장하는 것 뿐만 아니라 캐시된 데이터가 clean 상태 (캐시의 데이터가 RAM의 데이터와 동일한 상태)인지 또는 dirty 상태 (캐시의 데이터가 수정되었지만, RAM의 데이터는 업데이트되지 않은 상태)인지를 판가름하는 메커니즘이 필요합니다. 또한 dirty한 캐시 항목을 RAM으로 주기적으로 복사할 수 있는 메커니즘도 필요합니다.

4.2.3. 주메모리 — RAM

RAM은 최신 컴퓨터의 대량 전자 스토리지로서 사용중인 데이터와 프로그램을 저장하는 장소로 사용됩니다. 대부분의 최신 시스템의 RAM 속도는 캐시 메모리와 하드 드라이브 속도 사이이며 하드 드라이브 보다는 캐시 메모리 속도에 가깝습니다.

RAM은 기본적으로 매우 단순한 작업을 실행합니다. 가장 낮은 레벨은 RAM 칩 — 집적 회로로서 실제 "기억하기" 작업을 수행합니다. 이 칩은 외부와 접속하기 위하여 다음과 같은 4가지 접속 유형을 사용합니다:

• (칩 안의 회로를 작동하기 위한) 전원 접속

• (칩으로 데이터를 가져오고 내보내기 위한) 데이터 접속

• (칩으로 데이터를 저장할 것인지 또는 칩에서 데이터를 가져올 것인지 결정하는) 읽기/쓰기 접속

• (칩 어느 부분에서 데이터를 읽거나/쓸 것인지 결정하는) 주소 접속

RAM에 데이터를 저장하기 위해서는 다음과 같은 절차를 따라야합니다:

1. 저장할 데이터를 데이터 접속으로 보내집니다.

2. 데이터를 저장할 주소가 주소 접속에 보내집니다.

3. 읽기/쓰기 접속이 쓰기 모드로 설정됩니다.

데이터를 가져오는 절차도 앞서 설명한 것과 마찬가지로 매우 간단합니다:

1. 원하는 데이터의 주소가 주소 접속에 보내집니다.

2. 읽기/쓰기 접속이 읽기 모드로 설정됩니다.

3. 원하는 데이터를 데이터 접속에서 읽어옵니다.

이러한 과정이 매우 간단해보이지만 실제로 이 절차는 매우 빠른 속도로 진행됩니다. 각 단계에 소요되는 시간은 10억분의 1초 단위로 나타납니다.

대부분의 최신 RAM 칩은 모듈(modules)로 판매됩니다. 각 모듈은 조그만 회로 기판에 연결된 여러 개의 개별 RAM 칩으로 이루져있습니다. 모듈의 물리적, 전기적 배치는 다양한 산업 표준을 준수하기 때문에 여러 제조업체에서 메모리를 구입하여 문제없이 사용 가능합니다.

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	산업체 표준 RAM 모듈을 사용하는 시스템의 가장 큰 장점은 시스템 제조업체 뿐만 아니라 여러 다른 제조업체의 모듈을 구입가능하기 때문에 RAM을 값싸게 구입할 수 있다는 것입니다. 대부분의 컴퓨터는 산업체 표준 RAM 모듈을 사용하지만, 예외도 있습니다. 랩탑과 고성능 서버가 가장 눈에 띄는 예입니다. (랩탑은 표준화 작업이 시작되고 있습니다). 그너라 이러한 경우에도 비교적 인기있는 시스템이며 아주 최신 모델이 아니라면 여전히 제삼자 RAM 모듈을 구입할 수 있습니다.

4.2.4. 하드 드라이브

지금까지 설명한 기술은 모두 본질적으로 일시적입니다. 즉, 스토리지에 저장된 데이터는 전원을 끌 경우 사라집니다.

이와는 달리 하드 드라이브는 영구적 입니다. 즉 이곳에 저장된 데이터는 전원이 꺼지더라도 사라지지 않습니다. 이러한 특성때문에 하드 드라이브는 또 다른 유형의 스토리지라고 할 수 있습니다. 하드 드라이브는 영구적인 속성 덕분에 장기간 프로그램이나 데이터를 저장하는데 적합합니다. 하드 드라이브의 또 다른 특징은 RAM과 캐시 메모리와는 달리 하드 드라이브에 저장된 프로그램을 바로 실행할 수 없다는 것입니다; 대신 프로그램은 먼저 RAM으로 읽혀져야 합니다.

또한 하드 드라이브의 데이터 저장 및 읽어오기 속도는 캐시와 RAM과 비교하여 차이가 납니다; 하드 드라이브는 캐시와 RAM에서 사용된 전 전자식 기술과 비교하여 최소한 10배 이상 느립니다. 이렇게 속도에 차이가 나는 이유는 기본적으로 전자기 속성이 다르기 때문입니다. 하드 드라이브로 각 데이터를 전송하거나 하드 드라이브에서 데이터를 읽어오기 위해서는 4가지 단계를 거쳐야합니다. 다음 목록은 이 4 단계에 대한 간단한 설명과 더불어 일반 고성능 드라이브가 각 단계를 완료하는데 걸리는 평균 시간을 보여줍니다:

• 액세스 암(access arm) 이동 (5.5 밀리초)

• 디스크 회전 (.1 밀리초)

• 헤드 읽기/쓰기 데이터 (.00014 밀리초)

• 드라이브의 전자에서 데이터를 전송하거나 읽어옴 (.003 밀리초)

위 4 단계에서 오직 마지막 단계만 기계 작업에 의존하지 않습니다.

	알림
	지금까지 설명된 하드 드라이브 관련 정보는 일부에 지나지 않으며, 5 장 장에서 디스크 저장 기술에 대하여 보다 깊게 다루어보겠습니다. 여기서는 RAM과 디스크 기반 기술 간에 속도 차이가 크다는 사실과 함께 일반적으로 하드 드라이브의 기억 용량은 RAM 보다 최소한 10배에서 100배 이상 차이가 난다는 사실만 기억해두시면 됩니다.

4.2.5. 오프라인 백업 스토리지

오프라인 백업 스토리지는 용량면이나 속도면에서 하드 드라이브 스토리지 보다 월등합니다. 오프라인 백업 스토리지는 오직 여러분이 얼마나 많은 이동 매체를 구입할 능력이 있으며 매체를 저장할 공간이 충분한지에 의해서만 제한됩니다.

오프라인 백업 스토리지에는 다양한 기술이 사용되며, 자주 사용되는 기술의 종류는 다음과 같습니다:

• 자기(magnetic) 테이프

• 광디스크

물론 이동 매체를 사용하게 되면 데이터 접근 시간이 보다 길어지게 됩니다. 특히 원하는 데이터가 현재 스토리지 장치에 적재되어 있지 않을 경우 더욱 그렇습니다. 자동으로 매체를 적재하고 해제하는 로봇을 사용하여 이러한 문제를 어느정도 해결할 수는 있지만, 여전히 이동 매체 장치에는 한계가 있습니다. 최적화된 상황에서도 접근 시간을 초 단위로 측정하였을때 고성능 하드 드라이브에서 상대적으로 느린 속도를 밀리초로 측정한 것 보다 훨씬 느립니다.

지금까지 현대 사용되고 있는 다양한 스토리지 기술에 대하여 간략하게 설명해보았습니다. 다음으로 기본적인 가상 메모리 개념에 대하여 다루어보겠습니다.