[CS] 3. 메모리와 디스크의 핵심: 순차 논리 (컴퓨터 구조와 프로그래밍)

🔅 이 글은 "한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍"이라는 책을 읽고 정리한 글이다.

이번 주에 공부한 내용은 3장 메모리와 디스크의 핵심, 순차 논리이다. 겁나 어려움,,, 너무 어렵지만 이해한 내용들을 정리해 남겨본다. 

 

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컴퓨터는 비트를 어떻게 기억하는가!

1-2장에서 컴퓨터는 비트를 이용해서 소통한다는 것을 배웠다. 그럼 이번 장에서는 컴퓨터는 비트를 어떻게 기억하는지에 대해 배운다. 

여기서는 순차 논리(sequential logic)를 배운다.

순차 논리란, 디지털 회로 이론에서 순차 논리(Sequential logic)는 출력이 입력에 의해서만 결정되지 않고 기존에 들어왔던 입력들의 영향 또한 받는 논리 회로를 말한다. 조합 논리와 순차 논리의 가장 큰 차이점은 조합 논리는 현재 입력만을 통해 출력을 결정하지만 순차 논리는 그렇지 않다는 점이다.
- wiki

우리는 디지털 회로에서 시간을 어떻게든 만들어내야 한다.

조합 논리는 입력의 현재 상태만을 다룬다. 하지만 순차 논리는 입력의 현재 상태와 과거 상태를 함께 고려한다.

 

시간 표현과 상태 기억

우리는 주기(periodic)함수를 사용해 시간을 측정할 수 있다. 예를 들어, 지구의 자전이 바로 주기적 함수다.

지구 자전 같은 외부 이벤트를 활용하는 것에 덧붙여, 몇 가지 물리 요소를 적용하면 우리 스스로 주기 함수를 만들어낼 수 있다. 컴퓨터의 경우 전자공학을 사용하기 때문에 주기적인 전기 신호가 필요하다. 진자가 스위치를 때리게 하면 이런 신호를 만들 수 있다.

발진자(oscillator)

발진자를 사용하면 시간을 잘 측정할 수 있다.
인버터를 사용한 트릭을 살펴보자. 아래 그림처럼 인버터의 출력을 입력에 연결할 수 있다.

출처: 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍

이런 식의 연결을 feedback 이라고 한다. 이는 마치 마이크와 스피커를 가까이 위치시킬 때 생기는 현상과 같다. 인버터 출력은 다시 인버터 입력으로 들어가며, 이 입력은 다시 출력에 반영된다. 이로 인해 출력이 0과 1 사이를 진동한다(oscillate). 이 값이 진동하는 속도는 전파지연에 따라 결정되며, 온도에 따라 달라지는 경향이 있다. 좀 더 안정적인 주파수로 진동하는 발진자(oscillator)가 있다면 더 정확히 시간을 측정할 수 있는 기준이 될 것이다.

 

클록(Clock)

발진자는 컴퓨터에 clock(시간을 샐 수 있게 해주는 신호)을 제공한다. 컴퓨터 클록은 밴드에서 드러머가 박자를 맞춰 드럼을 치는 것과 같다. 클록은 회로의 pace를 결정한다.

overclocking (오버클록) : 컴퓨터 부품이 제조업체에 의해 설계된 것보다 강제로 더 높은 클럭 속도로 동작할 수 있게 만드는 과정을 말한다. 흔히 개인용 컴퓨터 애호가들이 그들의 컴퓨터 성능을 높이기 위해 클럭을 높인다.
- wiki

 

래치(Latch), 플립플롭(Flip Flop)

래치와 플립플롭은 1비트의 정보를 보관 및 유지할 수 있는 회로이며, 순차 회로의 기본요소이다. 

플립플롭 또는 래치(영어: flip-flop 또는 latch)는 전자공학에서 1 비트의 정보를 보관, 유지할 수 있는 회로이며 순차 회로의 기본요소이다. 조합 논리회로에 비해 플립플롭은 이전상태를 계속 유지하여 저장한다. 디지털 공학에서 입력을 출력에 반영하는 시점을 클럭 신호의 순간 엣지에서 반영하는 플립플롭과, 입력에 따라 항상 반영되는 래치로 구분된다. 필요한 플립플롭의 클럭 신호는 수정 발진기 등을 이용하여 생성한다. 복잡한 회로는 많은 플립플롭이 같은 클럭신호를 사용하므로 전용의 클럭 배선이 필요한 경우도 있다. 래치는 입력되는 순간 바로 반영하기 때문에 플립플롭처럼 엣지의 시점을 결정하는 논리회로가 없어도 되므로 래치의 논리회로가 간단하다.
- wiki

래치 vs 플립플롭

• 래치 : level sensitive
• 플립플롭 : edge sentsitive

레지스터

CPU 가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치.

레지스터는 공간은 작지만 CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 실제 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.

 

 

메모리 조직과 주소 지정

비트를 하나 기억할 때 플립플롭이 유용하다는 사실을 봤고, 레지스터를 사용하면 쉽게 여러 비트를 저장할 수 있다는 사실도 배웠다. 하지만 훨씬 더 많은 정보를 저장해야 한다면 어떻게 해야 할까? 예를 들어, 여러 가지 덧셈 결과를 저장해야 한다면 어떻게 할까?

그렇다. 레지스터를 많이 쌓아두는 것 부터 시작할 수 있다. 하지만 새로운 문제가 생긴다. 어떤 레지스터를 사용해야 하는지 어떻게 지정할 수 있을까?

이 문제를 해결하는 방법 중 하나는 각 레지스터에 번호를 부여하는 것이다. 이 번호를 주소(address)라고 한다.

메모리 칩에는 주소 버스(address bus)와 데이터 버스(data bus)가 있다. 버스는 비트를 이동시키는 대량 교통수단.

 

임의 접근 메모리(Random Access Memory)

Random access memory, RAM이라고 부른다. RAM을 사용하면 메모리 위치 중 원하는 곳은 어디든 원하는 순서로 쓰거나 읽을 수 있다.
RAM은 휘발성(volatile) 메모리다. 휘발성이라는 말은, 전원이 끊어지면 데이터가 사라진다는 뜻.

 

# SRAM(== Static RAM, 정적 RAM)

• 비싸지만 아주 빠르다.
• 각 비트에 트랜지스터가 6개 들어간다. 트랜지스터는 공간을 차지하기 때문에 SRAM은 수십억~수조 비트를 저장하기에 좋은 선택은 아니다.

트랜지스터란,
A transistor is a semiconductor device used to amplify or switch electronic signals and electrical power. Transistors are one of the basic building blocks of modern electronics
- wiki

 

# DRAM(== Dynamic RAM, 동적 RAM)

• capicitor라는 아주 작은 버킷에 전자를 담고, 트랜지스터를 1개만 사용해 뚜껑을 덮는다.
• 문제는 이 버킷이 새기 때문에 가끔 메모리를 갱신해야 한다는 점이다. 즉, 버킷에 주기적으로 전자를 다시 채워 넣어야 한다는 말.
• 그래서 (이미 비트가 들어 있는) 버킷에 전자를 채우는 시점과 버킷에 정보를 쓰는 시간이 서로 겹치지 않게 조심해야 한다.
• DRAM은 집적도(밀도, 단위 면적당 비트 개수)가 높기 때문에 큰 메모리 칩에 사용된다. 큰 메모리 칩이라는 말은 주소가 더 많다는 뜻이고, 그에 따라 앞 절에서 설명한 주소 멀티플렉싱 방식을 사용해야 한다는 뜻이기도 한다.

 

읽기 전용 메모리(Read-only Memory)

Read-only Memory, ROM이라고 부른다. 이름 그대로 읽을 수만 있는 메모리는 아니다. 읽으려면 한번 써야 하는 거 아닌가! 
ROM은 한 번 쓰고 나면 여러 번 읽을 수 있다. 프로그램을 내장해야 하는 장치에서 ROM이 유용하다.

• 전원이 들어오면 무슨 작업을 해야 할지 미리 프로그램이 되어있는 장치
• 활용 예시 :
  • ROM BIOS(Basic Input/Output System) : 컴퓨터가 부팅(power-on startup)하는 동안에 하드웨어 초기화를 수행하고, 운영 체제 및 프로그램에 런타임 서비스를 제공하는 데 사용되는 펌웨어이다.

 

 

블록 장치 (Disk Drive)

메모리를 읽거나 쓰려면 시간이 걸린다.

Mass storage(대량 저장장치)로 알려진 disk drive(디스크 드라이브)는 엄청나게 많은 데이터를 저장하기 아주 좋은 장치다. 

 

디스크 드라이브는 다른 유형의 메모리에 비해 상대적으로 느리다. 방금 헤드를 지나간 데이터가 필요한 경우 그 데이터를 읽을 수 있으려면 회전판이 거의 1바퀴를 돌 때까지 기다려야 한다.

또 다른 디스크의 큰 문제는 기계 부품이 시간이 지나면서 낡아진다는 점이다.

 

디스크 드라이브는 디스크의 영역을 magnetize(= ~에 자기를 띠게 하다)하여 데이터를 저장한다. 이로 인해 디스크 드라이브는 코어 메모리와 마찬가지로 비휘발성.

 

디스크 드라이브는 기록 밀도와 속도를 맞바꾼 기억 장치. 헤드 아래 원하는 비트가 돌아올 때까지 시간이 걸리기 때문에 속도가 느리다. 하지만 DRAM 등과 달리 주소나 데이터 연결을 위한 공간이 필요 없다.

 

디스크는 바이트 단위로 주소를 지정해 읽는 대신 블록 단위로 주소를 지정해 읽는다. block 은 역사적으로 sector(섹터)라고 불려 왔고, 디스크에서 읽고 쓰기가 가능한 가장 작은 단위.

디스크는 역사적으로 섹터당 512바이트를 저장했으나 최근에는 4096바이트를 저장한다. 이 말은 디스크에서 한 바이트만 바꾸고 싶으면 전체 블록을 읽고 원하는 바이트를 바꾼 다음 전체 블록을 다시 써야 한다는 뜻.

 

아래는 디스크 구조. 

출처:  https://ko.wikipedia.org/wiki/디스크_섹터

 

디스크 드라이브 tmi

모든 섹터에 같은 수의 비트가 들어 있기 때문에 bit/mm2으로 표현하는 비트 밀도(bit density)는 각 원판의 바깥쪽보다 안쪽이 더 높다. 바깥쪽 트랙에는 비트를 더 집어넣을 수 있는 여유가 많기 때문에 이런 방식은 낭비가 심하다. 최신 디스크들은 이 문제를 radical zone으로 구분해 해결한다. 이 방식에서는 실제로 내부 영역보다 외부 영역에 더 많은 섹터가 들어간다.

 

탐색 시간(seek time)은 헤드를 한 트랙에서 다른 트랙으로 옮길 때 걸리는 시간이다.

원하는 데이터가 헤드 아래로 올 때까지 디스크가 돌아야 하는데 이때 걸리는 시간을 회전 지연 시간(rotational latency)라고 부른다. 보통 이 시간은 수 밀리초 수준이다.

 

디스크 드라이브를 종종 하드 드라이브(hard drive)라고 부른다. 원래는 모든 디스크 드라이브가 하드 드라이브였다. 하지만 플로피 디스크(floppy disk)라는 더 저렴하고 탈착이 가능한 드라이브가 등장하면서 구분이 생겼다. 플로피 디스크는 잘 구부러지는 재질이었기 때문에 그렇지 않은 다른(기존의) 드라이브를 하드 디스크라고 불러서 둘을 구분하기 시작했다! 오호!

 

디스크 동작 원리 유튜브

 

 

플래시 메모리와 SSD

플래시 메모리란, 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 컴퓨터 기억 장치

 

음악 플레이어나 디지털카메라 등의 응용에는 플래시 메모리가 적합하다. 플래시 메모리는 DRAM과 마찬가지로 버킷에 전자를 담는 방식으로 작동한다. 하지만 플래시 메모리의 버킷은 DRAM보다 더 크고 잘 만들어져 있어서 전자가 새지 않는다.

플래시 메모리는 RAM처럼 원하는 위치를 마음대로 읽을 수 있다. 하지만 빈 플래시 메모리에 데이터를 기록하기 위해서는 먼저 0을 채워 넣어야 한다. 플래시 메모리 내부는 블록으로 나눠서, 블록 단위로 지우고 값을 쓸 수 있다.

따라서 플래시 메모리는 읽을 때는 random access 장치이고 쓸 때는 block access 장치다.

 

디스크 드라이브는 점차 SSD로 널리 알려진 solid-state drive(고체 상태 드라이브)로 교체되고 있다. SSD는 디스크 드라이브 모양의 패키지에 넣은 플래시 메모리와 같다.

 

 

이번주도 DONE !!!!