[OS] 컴퓨터 시스템의 구성: 저장 장치 구조(Storage Structure)

학습할 교재

 

저장 장치 구조(Stroage Structure) 

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CPU는 메모리에서만 명령을 적재할 수 있으므로 실행하려면 프로그램을 먼저 메모리에 적재해야 합니다. 범용 컴퓨터는 프로그램 대부분을 메인 메모리(random-access memory, 또는 RAM이라 불린다)라 불리는 재기록 가능한 메모리에서 가져옵니다. 메인 메모리는 dynamic random-access memory (DRAM)라 불리는 반도체 기술로 구현됩니다.

 컴퓨터는 다른 형태의 메모리도 사용합니다. 예를 들어, 컴퓨터 전원을 켤 때 가장 먼저 실행되는 프로그램은 부트스트랩 프로그램이며 운영체제를 적재합니다. RAM은 휘발성(전원이 꺼지거나 손실될 때 내용이 손실됨)이므로 부트스트랩 프로그램을 유지하는 용도로 사용할 수 없습니다. 대신 이 목적과 다른 목적으로, 컴퓨터는 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EEPROM) 및 기타 형태의 펌웨어(쓰기 작업이 자주 발생하지 않고 비휘발성인 저장장치)를 사용합니다. EEPRO은 변경할 수는 있지만 자주 변경할 수는 없으며, 또한 속도가 느리므로 주로 사용되지 않는 정적 프로그램과 데이터가 포함되어 있습니다. 예를 들어, iPhone은 EEPROM을 사용하여 장치의 일련번호 및 하드웨어 정보를 저장합니다.

 모든 형태의 메모리는 바이의 배열을 제공하며, 각 바이트는 자신의 주소를 가지고 있습니다. 상호 작용은 특정 메모리 주소들에 대한 일련의 적재(load),  또는 저장(stroe) 명령을 통하여 이루어집니다. 적재 명령은 메인 메모리로부터 CPU 내부의 레지스터로 한 바이트 또는 한 워드를 옮기는 것이며, 반대로 저장 명령은 레지스터의 내용을 메인 메모리로 옮깁니다. 명시적인 적재, 저장 명령 외에, CPU는 프로그램 카운터에 저장된 위치부터 실행하기 위해 메인 메모리에서 명령을 자동으로 적재합니다.

 폰 노이만 구조 시스템에서 실행되는 전형적인 명령-실행 사이클은 먼저 메모리로 부터 명령을 인출해, 그 명령을 명령 레지스터(instructiuon register)에 저장합니다. 이어서 명령을 해독하고, 이는 메모리로부터 피연산자를 인출하여 내부 레지스터에 저장하도록 유발할 수 있습니다. 피연산자에 대한 명령을 실행한 후에 결과가 메모리에 다시 저장될 수 있습니다. 메모리 장치는 단지 일련의 메모리 주소만을 인식한다는 사실에 유의해야 하는데, 메모리는 이들 주소[명령 카운터(instruction counter), 색인(indexing), 간접 주소(indi-rection), 리터럴 주소(literal addresses) 등]가 어떻게 생성되었는지 알지 못하며, 그것이 무엇인지(명령인지 데이터인지) 알지 못합니다. 그러므로 우리는 메모리 주소가 프로그램에 의해 어떻게 생성되었는지 무시할 수 있습니다. 우리는 단지 실행 중인 프로그램에 의해 생성된 일련의 메모리 주소에만 흥미가 있습니다.

 이상적으로는, 프로그램과 데이터가 메인 메모리에 영구히 존재하기를 원하나 이는 대부분의 시스템에서 아래와 같은 두가지 이유로 불가능합니다.

1. 메인 메모리는 모든 필요한 프로그램과 데이터를 영구히 저장하기에는 너무 작다.
2. 메인 메모리는 이미 언급한 것처럼 전원이 공급되지 않으면 그 내용을 잃어버리는 휘발성 저장장치이다.

그러므로 대부분의 컴퓨터 시스템은 메인 메모리의 확장으로 보조저장장치를 제공합니다. 보조 저장장치의 주요 요건은 대량의 데이터를 영구히 보존할 수 있어야 한다는 점인데 가장 일반적인 보조 저장장치는 하드 디스크 드라이브(HDD)와 비휘발성 메모리(NVM) 장치로, 프로그램과 데이터 모두를 위한 저장소를 제공합니다. 대부분의 프로그램(시스템 및 응용 프로그램)은 메모리에 적재될 때까지 보조 저장장치에 저장됩니다. 그런 후 많은 프로그램이 보조 저장장치를 처리 소스 및 대상으로 모두 사용합니다. 보조 저장장치도 메인 메모리보다 훨씬 느리며 2차 저장장치의 올바른 관리는 컴퓨터 시스템에서 가장 중요합니다.

 그러나 더 큰 의미에서 레지스터, 메인메모리 및 보조 저장장치로 구성된 저장장치 구조는 가능한 많은 저장장치 시스템 설계 중 하나일 뿐입니다. 다른 가능한 구성요소로는 캐시 메모리, CD-ROM 또는 Blu-ray, 자기 테이프 등이 있습니다. 다른 장치에 저장된 자료의 백업 사본을 저장하기 위해 특수 목적으로만 사용하기에 매우 느리고 충분히 큰 장치를 3차 저장장치라고 합니다. 각 저장장치 시스템은 데이터를 저장하고 나중에 검색될 때까지 해당 데이터를 유지하는 기본 기능을 제공합니다. 다양한 저장장치 시스템 간의 주요 차이점은 속도, 크기 및 휘발성에 있습니다.

 다양한 저장장치 시스템은 저장 용량 및 액세스 시간에 따라 아래의 이미지의 계층 구조로 구성될 수 있습니다.

저장장치 계층 구조

일반적으로 크기와 속도 사이에는 상충하는 측면이 있어서 메모리가 작고 빠를수록 CPU에 더 가깝습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 속도와 용량의 차이 외에도 다양한 저장장치 시스템은 휘발성 또는 비휘발성입니다. 앞에서 언급했듯이 휘발성 저장장치는 장치의 전원이 제거될 때 내용을 잃어버리므로 안전하게 보관하기 위해 데이터를 비휘발성 저장장치에 기록해야 합니다.

 그림에서 최상위 4단계 메모리는 반도체 기반 전자회로로 구성된 반도체 메모리를 사용하여 구성됩니다. 네 번째 수준의 NVM 장치에는 여러 가지 변형이 있지만 일반적으로 하드 디스크보다 빠르며, NVM 장치의 가장 일반적인 형태는 스마트폰 및 태블릿과 같은 모바일 장치에서 널리 사용되는 플래시 메모리입니다. 점차 랩톱, 데스크톱과 서버에서의 장기 저장에도 플래시 메모리가 사용되고 있습니다.

 완전한 저장장치 시스템의 설계는 방금 논의한 모든 요소의 균형을 맞추어야 합니다. 가능한 한 많은 저렴한 비휘발성 저장장치를 제공하는 동시에 필요한 만큼만 비싼 메모리를 사용해야 합니다. 캐시는 두 구성요소 간에 액세스 시간이나 전송 속도의 차이가 큰 경우 성능을 향상하기 위해 설치할 수 있습니다.

 

요약하자면 아래와 같습니다.

1. 컴퓨터가 프로그램을 실행하려면 프로그램이 메인 메모리에 있어야 한다. 이 메모리는 프로세서가 직접 액세스 할 수 있는 유일한 대용량 저장장소이다.
2. 메인 메모리는 일반적으로 전원을 끄거나 잃을 때 내용이 손실되는 휘발성 저장장치 이다.
3. 비휘발성 저장장치는 메인 메모리의 확장이며 대량의 데이터를 영구적으로 보유할 수 있다.
4. 가장 일반적인 비휘발성 저장장치는 프로그램과 데이터를 모두 저장할 수 있는 하드디스크이다.
5. 컴퓨터 시스템의 다양한 저장장치 시스템은 속도와 비용에 따라 계층 구조로 구성할 수 있다. 레벨이 높을수록 비싸지만 속도가 빠르며, 계층이 내려갈수록 일반적으로 비트당 비용은 감소하고 반면 액세스 시간은 증가한다.