2.2.1. 기억장치 동작 분석: 주기억장치, 보조기억장치(종류/특징), 캐시메모리(구성/동작), 연관기억장치 특성

'2.2.1. 기억장치 동작 분석'**은 컴퓨터 시스템의 성능을 결정짓는 메모리 계층 구조를 다룹니다. 필기 시험에서 SRAM과 DRAM의 비교, 캐시 매핑 방식, 그리고 연관기억장치의 정의는 매회 출제되는 초특급 핵심 주제입니다.

1. 주기억장치 (Main Memory)

컴퓨터가 실행 중인 프로그램과 데이터를 보관하는 장치입니다. 주로 RAM과 ROM으로 나뉩니다.

RAM (Random Access Memory)

휘발성 메모리로, 전원이 꺼지면 데이터가 사라집니다. DRAM과 SRAM의 비교는 무조건 외워야 합니다.

구분	DRAM (Dynamic)	SRAM (Static)
구성 소자	콘덴서 (Capacitor)	플립플롭 (Flip-Flop)
재충전(Refresh)	필요함 (가장 큰 특징)	필요 없음
속도	상대적으로 느림	매우 빠름
집적도	높음 (대용량 가능)	낮음
용도	주기억장치	캐시 메모리

ROM (Read Only Memory)

비휘발성 메모리로, 주로 읽기 전용입니다.

• Mask ROM: 제조 공정에서 미리 기록 (수정 불가).
• PROM: 한 번만 기록 가능.
• EPROM: 자외선을 이용하여 기록된 내용 삭제 가능.
• EEPROM: 전기를 이용하여 기록된 내용 삭제 가능. (플래시 메모리의 모태)

 

주소 선 개수 (n)	계산식 (2n)	용량 표시
10개	$2^{10}$	1K (Kilo)
20개	$2^{20}$	1M (Mega)
30개	$2^{30}$	1G (Giga)
40개	$2^{40}$	1T (Tera)

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2. 보조기억장치 (Secondary Storage)

주기억장치의 부족한 용량을 보완하는 비휘발성 저장 장치입니다.

• HDD (Magnetic Disk): 자기 디스크를 회전시켜 데이터를 읽음. Seek Time(탐색 시간), Latency(회전 지연 시간) 개념이 중요합니다.
• SSD (Solid State Drive): 반도체(Flash Memory)를 이용. 소음이 없고 속도가 매우 빠르며 충격에 강합니다.
• RAID: 여러 개의 하드디스크를 묶어 성능과 안정성을 높이는 기술 (RAID 0, 1, 5 등의 특징 출제 가능).

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3. 캐시 메모리 (Cache Memory)

CPU와 주기억장치 사이의 속도 차이를 줄이기 위한 고속 메모리(SRAM)입니다.

• 동작 원리 (Locality, 구역성):
  • 시간 구역성: 최근 참조된 데이터가 곧 다시 참조될 가능성이 높음.
  • 공간 구역성: 참조된 데이터 인근의 데이터가 참조될 가능성이 높음.
• 매핑(Mapping) 방식 (★중요):
  1. Direct Mapping (직접): 메모리 블록이 정해진 캐시 라인으로만 들어감 (구현 간단, 충돌 잦음).
  2. Full Associative (전연관): 빈 곳 어디든 들어갈 수 있음 (충돌 적음, 찾는데 오래 걸림, 고가).
  3. Set Associative (세트 연관): 위 두 방식의 절충안. 특정 세트 내에서 자유롭게 배치.
• 쓰기 정책(Write Policy):
  • Write-through: 캐시와 메모리를 동시에 업데이트 (데이터 일관성 좋음, 속도 느림).
  • Write-back: 캐시에서 쫓겨날 때만 메모리를 업데이트 (속도 빠름, 구현 복잡).

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4. 연관기억장치 (Associative Memory)

데이터의 **주소(Address)**가 아니라 **내용(Content)**의 일부를 이용하여 데이터를 찾는 장치입니다.

• 특징:
  • **CAM (Content Addressable Memory)**라고도 불립니다.
  • 병렬 검색을 수행하므로 검색 속도가 매우 빠릅니다.
  • 하드웨어 구조가 복잡하고 가격이 매우 비쌉니다.
  • 가상 메모리의 주소 변환 테이블(TLB) 등에 사용됩니다.

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필기 시험 핵심 요약

1. 재충전(Refresh) 키워드가 나오면 정답은 DRAM입니다.
2. SRAM은 캐시 메모리에 사용되며 플립플롭 구조입니다.
3. 캐시의 적중률(Hit Ratio) 계산 공식: $적중 횟수 / 전체 참조 횟수$
4. 연관기억장치는 "주소가 아닌 내용으로 검색"한다는 문장이 나오면 정답입니다.
5. 메모리 계층 구조 순서(속도 빠른 순): 레지스터 > 캐시 > 주기억장치 > 보조기억장치