CPU와 메모리 구조
CPU (Central Processing Unit)
CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 프로그램의 명령어를 해석하고 실행한다.
CPU의 구성 요소
| 구성 요소 | 역할 |
|---|---|
| 연산 장치 (ALU) | 산술 연산과 논리 연산 수행 |
| 제어 장치 (Control Unit) | 명령어를 해석하고 각 장치에 제어 신호 전달 |
| 레지스터 (Register) | CPU 내부의 초고속 임시 저장 공간 |
메모리 계층구조
컴퓨터 시스템에서 메모리는 속도와 용량의 균형을 맞추기 위해 계층적으로 구성된다.
속도와 용량의 관계
메모리 계층에서 위로 갈수록 빠르지만 용량이 작고, 아래로 갈수록 느리지만 용량이 크다.
| 계층 | 위치 | 속도 | 용량 | 가격 | 특징 |
|---|---|---|---|---|---|
| 레지스터 | CPU 내부 | 매우 빠름 | 수십~수백 Byte | 매우 비쌈 | CPU가 직접 접근 |
| 캐시 (L1/L2/L3) | CPU 내부 (on-die) | 빠름 | KB ~ MB | 비쌈 | 자주 사용하는 데이터 저장 |
| RAM (주기억장치) | 메인보드 | 중간 | GB | 중간 | 현재 실행 중인 프로그램 저장 |
| SSD (보조기억장치) | 저장장치 | 느림 | 수백 GB ~ TB | 저렴 | 빠른 읽기/쓰기, 비휘발성 (NVMe/SATA) |
| HDD (보조기억장치) | 저장장치 | 매우 느림 | TB | 매우 저렴 | 대용량 저장, 비휘발성 |
주기억장치 vs 보조기억장치
주기억장치 (Main Memory)
RAM (Random Access Memory)이 대표적이며, 현재 실행 중인 프로그램과 데이터를 저장한다.
특징:
- 휘발성: 전원이 꺼지면 데이터가 사라진다
- 빠른 속도: CPU가 직접 접근하여 빠르게 읽고 쓸 수 있다
- 제한된 용량: 보조기억장치에 비해 용량이 작다
- 높은 가격: 단위 용량당 가격이 비싸다
보조기억장치 (Secondary Storage)
SSD와 HDD가 대표적이며, 데이터를 영구적으로 저장한다.
SSD (Solid State Drive)
특징:
- 비휘발성: 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다
- 빠른 속도: HDD보다 훨씬 빠른 읽기/쓰기 속도 (NVMe가 SATA보다 더 빠름)
- 내구성: 충격에 강하고 소음이 없다
- 높은 가격: HDD보다 단위 용량당 가격이 비싸다
HDD (Hard Disk Drive)
특징:
- 비휘발성: 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다
- 느린 속도: 기계적 부품으로 인해 상대적으로 느리다
- 대용량: 테라바이트 단위의 대용량 저장 가능
- 저렴한 가격: 단위 용량당 가격이 가장 저렴하다
비교
| 구분 | 주기억장치 (RAM) | 보조기억장치 (SSD/HDD) |
|---|---|---|
| 휘발성 | 휘발성 (전원 꺼지면 삭제) | 비휘발성 (전원 꺼져도 유지) |
| 속도 | 매우 빠름 | 상대적으로 느림 |
| 용량 | 작음 (GB 단위) | 큼 (TB 단위) |
| 용도 | 실행 중인 프로그램/데이터 | 파일, 프로그램 영구 저장 |
| CPU 접근 | 직접 접근 가능 | RAM을 거쳐 간접 접근 |
메모리 계층구조의 동작 원리
- CPU는 데이터가 필요하면 가장 가까운 레지스터를 먼저 확인한다
- 레지스터에 없으면 캐시 메모리를 확인한다
- 캐시에도 없으면 RAM에서 데이터를 가져온다
- RAM에도 없으면 보조기억장치에서 RAM으로 데이터를 로드한 후 사용한다
이러한 계층 구조 덕분에 자주 사용하는 데이터는 빠른 메모리에 저장하고, 덜 사용하는 데이터는 느리지만 큰 메모리에 저장하여 성능과 비용의 균형을 맞출 수 있다.
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