Memory

메모리란 프로그램과 프로그램 수행에 필요한 데이터 및 코드를 저장하는 장치로 크게 내부 기억 장치인 주기억장치와 외부 기억장치인 보조 기억장치로 분류된다.

메모리 계층 구조

컴퓨터는 속도와 용량의 트레이드오프를 해결하기 위해 메모리를 계층적으로 구성한다.

• 레지스터(Register): CPU 내부에 존재하는 가장 빠른 기억 장치
• 캐시 메모리(Cache Memory): CPU와 주기억장치 사이의 속도 차이를 완화 (L1, L2, L3)
• 주기억장치(Main Memory/RAM): 실행 중인 프로세스와 데이터가 저장됨
• 보조기억장치(Secondary Storage): HDD, SSD 등 데이터의 영구 저장 담당

메모리 주소

프로세스가 실행되기 위해서는 메모리에 적재되어야 하는데, 이때 바라보는 주소의 관점이 다르다.

• 논리 주소(Logical Address)

  • 가상 주소(Virtual Address)라고도 함
  • CPU와 실행 중인 프로세스가 보는 주소 공간
  • 0번지부터 시작하며 각 프로세스마다 독립적으로 할당됨

• 물리 주소(Physical Address)

  • 메모리 하드웨어가 실제로 사용하는 주소
  • 데이터가 물리적으로 저장된 실제 위치

CPU가 논리 주소를 참조하면, 중간에서 누군가가 물리 주소로 변환해주어야 하는데 이 역할을 하드웨어 장치인 MMU가 담당한다.

Memory Management Unit(MMU)

CPU 코어 내부(또는 인접)에 위치하는 장치로, 논리 주소를 물리 주소로 변환하고 메모리 보호 기능을 수행하는 핵심 하드웨어다.

flowchart LR
    subgraph CPU_CASING["CPU casing"]
        direction LR
        CPU[CPU] -->|virtual address| MMU[MMU]
        TLB[TLB] <--> MMU
    end

    MMU -->|physical address| BUS[bus]

    subgraph PM["physical memory"]
        PA1[physical address #1]
        PA2[physical address #2]
        PA3[physical address #3]
    end

    BUS -->|physical address| PM

• CPU: Central Processing Unit
• MMU: Memory Management Unit
• TLB: Translation Lookaside Buffer

MMU의 주요 역할

주요역할	특징
주소 변환	CPU가 보내온 가상 주소를 실제의 물리적 주소로 변환
동적 적재	실행에 반드시 필요한 프로그램과 데이터를 적재하는 OS 주요 기능 지원
캐시 통제	캐시 가능한 영역과 불가능한 영역 분리하여 관리
권한 통제	사용자 프로그램에서 커널 영역 침범 차단
읽기/쓰기 보호	읽기/쓰기 가능 여부 영역 관리
메모리 보호	각 프로세스들이 별도의 분리된 영역에서 운용되도록 통제 / 상한 레지스터 보다 큰 값이 오는 경우도 체크

캐시 메모리

주기억장치의 속도가 CPU의 연산 속도를 따라가지 못하는 병목 현상을 줄이기 위한 고속 버퍼 메모리다.

캐시 적중률과 지역성

캐시 메모리가 효율적으로 동작하기 위해선, 캐시 히트율이 높아야하는데, 이 때 지역성의 원리가 사용된다.

• 시간 지역성(Temporal Locality): 최근에 참조된 주소의 내용은 조만간 다시 참조될 가능성이 높음
  • 예시: 반복문(for/while) 내에서 사용되는 변수나 인덱스
• 공간 지역성(Spatial Locality): 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 참조될 가능성이 높음
  • 예시: 배열 순회 (배열은 연속된 메모리 공간을 차지하므로 arr[0] 접근 후 arr[1]에 접근할 확률이 높음)

참고자료

• 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍