[CS] 메모리(Memory)

🖥️ 메모리의 구조

📀 메모리의 계층 구조
여러가지 기억 장치를 필요에 따라 속도, 용량, 성능에 따라 계층적으로 나누어 둔 것을 의미

 

📀 메모리의 계층 특징
   하위 계층으로 갈수록 용량이 늘어나고, 가격이 저렴하지만, 속도가 느림 반대로 상위 계층은 빠른대신 용량이 작고 가격이 비쌈.
    → 이를 보완하기 위하여 메모리 계층 구조를 사용

• 레지스터와 캐시는 CPU 내부에 존재. CPU에 아주 빠르게 접근할 수 있음
• 메모리(주기억장치)는 CPU 외부에 존재. 레지스터와 캐시보다 더 느리게 CPU에 접근
• 하드디스크(보조기억장치)는 CPU가 직접 접근할 방법조차 없음
  • CPU가 하드 디스크에 접근하기 위해서는 하드디스크의 데이터를 메모리로 이동시키고, 메모리에서 접근해야 함.
  • 아주 느린 접근만 가능

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💾 보조 기억 장치

📀 정의
 물리적인 디스크가 연결되어 있는 기억장치 주기억장치보다는 느리지만 컴퓨터의 전원을 끄더라도 저장된 데이터가 사라지지 않고, 영구적 으로 보관할 수 있는 장치

📀 HDD(Hard Disk Driver)

• 하드디스크라 불리우는 보조기억장치
• 물리적인 디스크를 고속으로 회전시켜 데이터를 저장하는 장치
• 디스크에 물리적으로 저장하기 때문에 충격에 약하며, 소음이 다소 발생

📀 SSD(Solid State Driver)

• 반도체 기반의 정보를 저장하는 보조기억장치
• 전기적으로 데이터를 저장하기 때문에 HDD에 비해서 속도가 월등히 빠르고, 소음도 발생하지 않음
• 전력소모가 적고, 경량화 및 소형화 할 수 있음

📀 가상 메모리(Virtual Memory)

: 실제 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것.

• 메모리의 공간은 한정적이므로 사용자에게 더 많은 메모리를 제공하기 위해 가상 주소를 사용→ 여기서 가상 주소 공간은 하나의 프로세스가 메모리에 저장되는 논리적인 모습을 가상 메모리에 구현한 공간이며, 가상 주소를 해당 공간을 가리키는 주소임
• → 메모리 관리 장치는 가상 주소를 이용해 실제 데이터가 담겨 있는 주소로 변환해줌

📀 가상 메모리의 구현

• 운영 체제는 물리 메모리의 제약을 갖고 있는 주기억장치를 보조하기 위해 디스크를 보조 기억 장치 (Paging Space)로 사용함
• 즉, 메인 메모리(주기억장치)와 디스크의 페이징 스페이스(보조 기억장치)를 하나로 묶어 하나의 메모리처럼 동작하게 하며, 이를 통해 메모리의 한계를 넘는 메모리 사용을 가능하게 하는 가상 메모리를 구현함’

📀 가상 메모리가 필요한 이유

• 물리 메모리의 한계
  • 모든 프로그램 코드를 물리 메모리에 올릴 수가 없음
  • 그렇다고 프로그램을 교체하면서 올리면 메모리 교체 성능 문제가 발생
• 가상 메모리의 장점
  • 프로그램 용량이 실제 물리 메모리보다 커도 됨
  • 전체 프로그램이 물리 메모리에 올라와 있지 않아도 됨
  • 더 많은 프로그램을 동시에 실행시킬 수 있음
    • 응답 시간은 유지
    • CPU 이용률과 처리율은 증가
  • 즉, 다중 프로그래밍을 실현하기 위해 물리 메모리의 제약을 보완하고, 프로세스 전체를 메모리에 올리지 않고도 실행할 수 있도록 해줌

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💾 주 기억 장치

📀 정의

 컴퓨터 내부에서 현재 CPU가 처리하고 있는 내용을 저장하고 있는 기억장치 즉, CPU의 명령에 의해 기억된 장소에 직접 접근하여 읽고 쓸 수 있음

📀 RAM(Random Access Memory)

• 읽고 쓰기가 가능하며, 응용프로그램, 운영체제 등을 불러와 CPU가 작업할 수 있도록 하는 기억장치
• 데이터를 읽는 속도와 기록하는 속도가 같고, 프로그램을 로딩하거나 데이터를 임시 저장하거나 하는 곳에 사용
• 전원이 끊어지면 데이터가 전부 지워지기 때문에 휘발성 메모리라고함

📀 ROM(Read Only Memory)

• 전원이 끊어져도 기록된 데이터들이 소멸되지 않는 비휘발성 메모리임.
• 오직 기억된 데이터를 읽기만 가능한 장치
• 데이터를 저장한 후, 반영구적으로 사용할 수 있음
• → 시스템에 기억시키고 변화시키면 안되는 BIOS와 같은 주요 데이터는 이 장치에 저장됨

📀 구조

    1️⃣ 코드(Code) 영역
    : 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로 텍스트 영역이라고 부름. CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리함

    2️⃣ 데이터(Data) 영역
    : 프로그램의 시작과 동시에 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸
    : 전역변수(Global Variable), 정적변수(Static Variable), 배열(Array), 구조체(Structure) 등이 저장되는 영역
    - 초기화된 데이터는 Data영역에 저장, 그외에는 BBS(Blocked Stated Symbol)에 저장
    - BBS 영역은 Data영역과 비슷하지만 초기화되지 않은 전역변수, 즉 정적변수만 저장

    3️⃣ 힙(Heap) 영역
    : 사용자가 직접 관리할 수 있는 메모리 영역. 메모리 주소값에 의해서만 참조되고 사용되며, 참고타입에 대한 저장공간
    - 힙영역은 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제됨
    - 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당됨

    4️⃣ 스택(Stack) 영역
    : 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수, 메소드, return값 등이 저장되는 영역. 
    : 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이기 때문에 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸함.
    → 이렇게 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임이라고 함.
    - 스택사이즈는 각 프로세스마다 할당
    - 프로세스가 메모리에 로드될 때 사이즈가 고정되어 있어 런타임 시 변경은 불가능
    - 힙과 스택은 사실 같은 공간을 공유하지만 시작지점이 다름
    - 스택 영역은 푸시(Push) 동작으로 데이터를 저장하고, 팝(Pop) 동작으로 데이터를 인출

 

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💾 캐시 메모리

📀 정의
 CPU의 처리속도와 주기억장치의 접근 속도 차이를 줄이기 위해 사용하는 고속 Buffer Memory

📀 특징

• CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어 올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한 뒤 다음 이용할 때, 메모리에서 먼저 가져오면서 속도를 향상시킴
• 캐시 메모리는 메모리 계층 구조에서 가장 빠른 소자이며, 처리속도가 거의 CPU의 속도와 비슷
• 캐시메모리를 사용하면 주 기억장치를 접근하는 횟수가 줄어들어 컴퓨터의 처리속도가 향상됨

📀 캐시 메모리 작동 원리
캐시가 효율적으로 동작하려면, 캐시에 저장할 데이터가 지역성을 가져야 함

✅ 지역성이란, 데이터 접근이 시간적, 혹은 공간적으로 가깝게 일어나는 것을 의미
  1️⃣ 시간 지역성 : 특정 데이터가 한 번 접근되었을 경우, 가까운 미래에 또 한 번 데이터에 접근할 가능성이 높음.
예를 들어, For, While 반복문에 사용되는 데이터는 참조 가능성이 높으므로 다시 저장함
  2️⃣ 공간 지역성 : 액세스된 기억장소와 인접한 기억장소가 액세스될 가능성이 높음. 예를 들어, 배열에서 같은 연속 접근 시, 참조된 데이터 근처에 있는 데이터가 참조 가능성이 높으므로 저장함

📀 캐시 미스(Cache Miss)
  CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 Cache Hit라고 하며, 반대로 없어서 주기억장치에서 가져오게되면 Cache Miss라고 함.

1️⃣ Cold Miss : 해당 메모리 주소를 처음 불러서 발생하는 Miss

2️⃣ Conflict Miss : A와 B를 저장해야 하는데, A와 B가 같은 주소에 할당되어 있는 경우 발생하는 Miss

3️⃣ Capacity Miss : 공간이 부족해서 발생하는 Miss

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💾 레지스터

📀 정의
CPU가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 다목적 공간 프로세스 내부에 있는 작은 공간으로 연산 제어, 디버깅 등등의 목적으로 사용

• 레지스터는 공간은 작고 가격은 비싸지만, CPU에 직접 연결되어 있어서 연산 속도가 RAM, HDD, SDD보다 빠름
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 수 없으므로 레지스터를 이용하여 연산처리 및 번지 지정을 도와줌

📀 레지스터와 캐시의 차이점

• 캐시 : CPU와 별도로 있는 공간이며, 메인 메모리와 CPU간의 속도 차이를 극복하기 위한 것
• 레지스터 : CPU 안에서 연산을 처리하기위하여 데이터를 저장하는 공간

📀 레지스터와 캐시의 공통점

• 어떤 명령어나 데이터를 저장해두는 저장 공간

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🖥️ 메모리 관리

• 다중 프로그래밍 시스템에 여러 프로세스를 수용하기 위해 주기억장치(RAM)을 동적 분할하는 메모리 관리 작업이 필요
• 즉, 하드디스크에 있는 프로그램을 어떻게 메인 메모리에 적재할 것인지 판단해야 함

💾 논리주소, 물리주소

📀 논리주소 : 프로세스에서 논리 연산에 사용하는 주소, 실제 메모리 안의 물리적인 주소가 아닌, 가상의 주소

📀 물리주소 : 실제 메모리의 주소. MMU가 논리주소를 물리주소로 매핑시켜줌. (주소 바인딩)

• 물리주소 = 논리주소 + 프로그램 베이스 레지스터

💾 스와핑

• 프로세스 A가 있을 때, A의 전체 부분을 모두 메모리에 올리지 않고, 필요한 일부분만을 메모리에 올릴 수 있음. 그리고 나머지 부분은 보조기억장치의 스왑영역에 둠
  • Swap Out : 메모리에서 필요없어진 부분을 스왑 영역으로 내보내는 것
  • Swap In : 메모리에 필요한 부분을 스왑영역에서 들여오는 것
    
    

💾 단편화(Fragmentation)

• 기억 장치의 빈 공간 또는 자료가 여러 조각으로 나뉘는 현상
• 프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못할 만큼의 자유 공간이 늘어나게 됨

1️⃣ 내부 단편화

- 프로세스가 사용하는 메모리 공간에 남는 부분
- 프로세스가 요청한 양보다 더 많은 메모리를 할당할 때 발생하며, 메모리 분할 자유 공간과 프로세스가 사용하는 공간의 크기 차이를 의미

2️⃣ 외부 단편화

- 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 부분
- 메모리 할당 및 해체 작업의 반복으로 작은 메모리가 중간 중간 존재할 수 있음. 이렇게 사용하지 않는 메모리가 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황
- 외부 단편화를 해결하기 위해 압축을 이용하여 프로세스가 사용하는 공간을 한쪽으로 몰 수 있지만, 작업 효율이 좋지는 않음

💾 메모리 할당 방식

📀 연속 메모리 관리 (연속 할당 방식)

• 프로그램 전체가 하나의 커다란 공간에 연속적으로 할당되어야 함
  • 고정 분할 기법 : 물리 메모리를 고정된 크기의 파티션으로 나누어 놓고, 그에 맞춰 프로세스를 적재. (하나의 분할에는 하나의 프로그램만을 적재할 수 있음)
    📢 장점
    - 원리가 단순함
    - 시스템 생성 시 미리 주기억장치가 분할되므로 운영체제 오버헤드가 줄어듦
    
    📢 단점
    - 외부 단편화 : 프로세스가 파티션보다 크면 Overlay 기법(프로세스의 필요한 부분만 적재)을 사용해야한다. 그만큼 오버헤드가 발생
    - 내부 단편화 : 파티션보다 작은 프로세스가 들어가면 남는 공간에서 내부 단편화가 발생
    - 낮은 융통성 : 하나의 분할에 하나의 프로그램만 적재할 수 있기 때문에, 동시에 메모리에 올릴 수 있는 프로그램의 수가 고정되어 있으며, 수행 가능한 프로그램의 크기도 고정되어 있어서 가변분할(동적분할) 방식에 비해 융통성이 떨어짐
  • 동적 분할 기법 : 메모리에 적재되는 프로그램의 크기에 따라 분할의 크기, 갯수가 동적으로 변하는 방식.
    📢 장점 
    - 가변 분할 방식에서 분할의 크기를 일부러 프로그램보다 크게 설정하지는 않기 때문에 내부 단편화가 생기지 않음
    - 고정 분할 방식에 비해서 융통성이 있음
    📢 단점
    - 외부 단편화 : 메모리에 존재하는 프로그램이 종료된 자리에 외부 단편화가 발생
    - 동적 메모리 할당 문제(dynamic storage-allocation problem)를 고려해야 함

🔑 동적 메모리 할당 문제 : 메모리의 가용 공간 중 어떤 위치에 프로그램을 적재할 것인지 결정하는 문제. 배치 알고리즘에 의해 이를 해결함
1. 최초 적합(First-fit) : 메모리를 적재할 수 있는 가용 공간을 탐색하다가, 최초로 발견한 조건에 맞는 가용 공간에 적재함. 시간적인 측면에서 효율적임
2. 최적 적합(Best-fit) : 가용 공간을 모두 탐색한 후, 적재할 수 있는 가장 작은 가용 공간에 적재. : 매우 작은 가용 공간이 생길 수 있지만, 대체로 공간적인 측면에서 효율적. 낭비되는 가용 공간을 줄인다는 매커니즘
3. 최악 적합(Worst-fit) : 가용 공간을 모두 탐색한 후, 적재할 수 있는 가장 큰 가용 공간에 적재함 : 나중에 적재하고 남은 가용공간에 다른 프로세스를 적재할 수 있겠다는 매커니즘.

→ 일반적으로 (최초적합, 최적적합) > 최악적합 으로 효율적

 

📀 불연속 메모리 관리

• 프로그램의 일부가 서로 다른 주소 공간에 할당될 수 있는 기법.
• 단편화 문제를 해결하기 위해 제시된 기법으로, 외부 단편화 해소를 위한 페이징과 내부 단편화 해소를 위한 세그멘테이션으로 나뉨