컴퓨터 주기억장치의 종류와 역할

- 목 차 -

1. 컴퓨터 기억장치의 정의와 종류
2. RAM의 개념과 종류
3. ROM의 개념과 종류
4. RAM과 ROM의 내부 조직과 구성 방식
5. 참고자료

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● 컴퓨터 기억장치의 정의와 종류

 

먼저 컴퓨터의 기억장치(memory unit)은 크게 '주기억 장치'와 '보조 기억 장치'로 나뉘게 된다.

 

주기억장치는 중앙 처리 장치와 직접 자료를 교환할 수 있는 기억장치로서 쉽게 말해 컴퓨터가 동작할 때 처리하는 프로그램들의 명령이나 자료를 '일시적으로' 저장해 주는 역할을 해준다고 보면 편하다. 이는 보조 기억장치보다 접근 속도가 매우 빠르며 순간적인 내용을 찾고 저장할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

 

종류로는 임의 접근 기억 장치(RAM : Random Access Memmory)와 읽기용 기억장치(ROM : Read Only Memory)가 있으며 일반적으로 RAM이 많이 사용되고 있다.

 

보조 기억 장치는 중앙 처리 장치가 실행할 프로그램이나 데이터를 영구적으로 저장할 수 있는 장치로서 물리적인 디스크가 연결되어있는 기억장치이다. 주기억장치에 비해 속도는 느리지만 용량이 크며 비용이 저렴하고 컴퓨터의 전원을 끄더라도 저장된 데이터가 사라지지 않는다는 장점이 있다. 

 

종류로는 서버용으로 자기디스크(magnetic disk), 자기테이프(magnetic tape), HDD(Hard Disk Driver), SSD(Solid State Driver) 등이 있고, 개인용 컴퓨터에는 플로피 디스크(floppy disk), 하드디스크(Hard Disk), CD-ROM, DVD, SSD 등이 사용된다.

 

추가적으로 주기억장치와 보조기억장치에 속해있진 않지만, CPU(중앙처리장치)와 주기억장치 사이의 속도 차이를 완화시키기 위해 “캐시 메모리(Cashe Memory)”라는 고속의 메모리가 CPU와 주기억장치 사이에 위치하고 있는데 주기억장치보다 적은 용량을 가지고 있으며 고가라는 단점이 있지만, 주기억장치에 비해 데이터 처리 속도가 빠르다.

 

여기서는 컴퓨터의 기억장치들 중에서 주기억장치에 속해있는 “RAM”과 “ROM”에 대해서 좀 더 알아보고자 한다.

 

 

 

● RAM에 대하여

 

정의 : RAM은 데이터를 기록하고 판독할 수 있는 반도체 기억 장치라고 할 수 있으며 읽고 쓰기가 가능하다. 또한 응용 프로그램, 운영체제 등을 불러와 CPU가 작업을 할 수 있도록 해주는 기억장치이다. 데이터를 읽는 속도와 기록하는 속도가 동일하고 프로그램을 로딩하거나, 데이터를 임시로 저장하는 곳에 사용된다. 전원이 끊어지면 데이터가 전부 지워지기 때문에 “휘발성 메모리”라고도 한다.

 

RAM의 액세스 방식은 데이터가 저장되어 있는 위치로 곧바로 접근이 가능하다는 데서 “임의 접근 방식”(random access)을 사용한다고 볼 수 있다. RAM은 제조 기술에 따라서 ‘DRAM’과 ‘SRAM’으로 분류할 수 있다.

 

- DRAM(Dynamic RAM) : 충전방식을 이용하여 데이터를 저장하는 RAM으로서, 주기적인 재충전이 필요하다. 또한 커패시터(capacitor)에 전하를 충전하는 방식을 사용하여 비트값을 저장하는 기억 셀들로 이루어져 있는데 이로 인해 집적밀도가 높다고 할 수 있다. 또한 커패시터는 점차적으로 방전되는 성질을 가지고 있어서 데이터의 저장 상태를 유지하기 위해 주기적으로 재충전(refresh)을 해주어야 한다.

 

- SRAM(Static Ram) : 플립-플롭형(flip-flop) 기억 셀을 이용함으로써, 전력이 공급되는 동안에는 데이터가 안정된 상태로 계속 유지되는 RAM이라고 할 수 있다. 기억 셀로 플립-플롭을 사용하기에 집적밀도가 낮다고 할 수 있다. 속도가 빠르기 때문에 고속 처리가 요구되는 기억장치에 사용되고 있으며, 원하는 내용에 즉시 접근이 가능하고 재충전이 필요 없다는 특징이 있다.

 

DRAM과 SRAM은 모두 휘발성의 성질을 가지고 있기 때문에 영구적으로 정보를 저장하는 것은 불가능하다. DRAM의 장점은 각 기억 셀이 SRAM보다 더 간단하고 크기가 작아서 SRAM과 비교하였을 때 밀도가 더 높고 비트당 가격도 SRAM에 비하여 더 저렴하다. 하지만 이러한 장점들을 가지고 있음에도 불구하고 SRAM이 널리 사용되는 이유는 SRAM이 DRAM보다 속도가 더 빠르고 재충전이 필요 없으며 찾는 데이터에 즉시 접근이 가능하다는 장점이 있기 때문이다. 그렇기 때문에 DRAM은 보통 주기억장치로 사용되며 SRAM은 ‘캐시’로 사용이 된다.

 

 

 

● ROM에 대하여

 

정의 : ROM은 내용은 읽을 수는 있지만 수정은 불가한 반도체 기억장치라고 할 수 있다. 컴퓨터의 전원이 끊어져도 그 내용이 변함없이 유지되기 때문에 보통 컴퓨터에 기본적인 운영 체제 기능이나 언어의 해석 장치를 내장시키기 위해 사용된다.

 

ROM에 저장되는 내용들은 주로 3가지로 분류되는데 ‘시스템 초기화 및 진단 프로그램’, ‘빈번히 사용되는 함수들과 서브루틴들’, ‘제어유니트의 마이크로프로그램’ 등이 있다. ROM의 장점으로는 전원 공급이 중단되어도 내용을 잃어버리지 않고 영구 저장이 가능한 반도체 기억장치이기 때문에 보조 저장장치로부터 데이터나 프로그램을 매번 이동시킬 필요가 없다. 즉, 액세스 시간이 짧아진다고 할 수 있다.

 

ROM에 데이터가 저장된 이후에는 내용을 수정하는 것이 불가능한데 추후에 이것을 보완하기 위해 아래의 4가지 ROM들이 추가되었다.

 

- 피롬(PROM) : 내용을 한 번만 쓸 수 있다는 점에서 일반적인 ROM과 동일하지만, 제조 단계에서 기억 소자들에 데이터를 쓰지 않고 비워두며, 이후에 전기적인 방식으로 데이터를 쓰는 것이 가능하다. 단, 이러한 방식을 운용하기 위해서는 PROM 프로그래머라고 부르는 특수한 장치가 필요하다. 주의할 점은 데이터를 한 번만 쓸 수 있다는 제한을 가지고 있다는 것이다.

 

- 이피롬(EPROM) : 내용을 삭제할 수도 있는 ROM으로서 사용자가 내용을 여러 번 수정할 수 있다. 하지만 내용을 지우기 위해서는 자외선을 이용해야만 하며 이는 칩 전체가 지워지게 된다. 저장 용량이 동일한 경우에 EPROM의 비트당 가격이 PROM보다 더 높지만, 여러 번의 갱신이 가능하다는 것이 장점이라 할 수 있다.

 

- 이이피롬(EEPROM) : 전기적으로 삭제할 수 있는 EPROM으로서, 내용을 갱신할 때 컴퓨터로부터 칩을 분리시킬 필요가 없다. 또한 비휘발성이면서도 읽기와 쓰기 모두 가능하다는 특징을 가지고 있다. 주의할 점은 데이터를 갱신할 수 있는 횟수가 수만 번 이하로 제한된다는 점이다.

 

- 플래시 메모리(FLASH MEMORY) : EPROM과 동일한 기술을 이용하지만, 전체 칩의 내용을 지우는 데 걸리는 시간이 EPROM에 비하여 현저히 빠르다. 하지만 기존의 내용을 갱신하기 위해서 해당 페이지를 삭제해야 할 때 블록 단위로만 지정이 가능하기 때문에 블록 내의 다른 페이지들을 임시장소로 이동시켜야 한다.

 

● RAM과  ROM의 내부 조직과 구성 방식

먼저 RAM은 같은 용량에 대해서도 내부 조직이 다양하게 구성될 수 있다. 64비트의 용량을 가지고 있는 RAM이 있다고 가정했을 때 가질 수 있는 조직 중 8 X 8비트 조직에 대해서 알아보자

(64비트 RAM의 8 X 8비트 조직)

 

8 X 8비트 조직의 RAM은 8개의 기억 장소들로 구성되며, 각 기억 장소에는 8비트씩 저장된다.(전체 용량 64비트) 또한 기억 장소는 8개이므로 세 개의 주소 비트들(A2, A1, A0)로 그들의 주소를 모두 지정할 수 있으며, 주소의 범위는 0~7 (2진수 표현으로는 000~111) 번지까지가 된다. 또한 칩 내의 3 X 8 해독기(decoder)는 주소 비트들을 해독하여 8개의 출력들 중의 하나를 활성화 시킨다. (동시 입출력 데이터 비트의 수가 8개이므로 입출력 선도 8개가 필요하다) 결과적으로 해당 출력 선이 연결된 기억 장소가 선택되고 제어 신호에 따라 읽기/쓰기 동작이 수행된다.

 

다음은 64K X 8비트 조직을 가진 ROM이 있다고 했을 때 내부 조직 및 작동 방법을 알아보자

(64Kbyte ROM의 블록선도)

 

ROM은 읽기만 가능하기 때문에 WR(쓰기) 신호는 필요 없고 RD(읽기) 신호만 필요하다. 또한 64K=2^16이므로, 총 16비트의 주소가 입력되어야 한다. 첫 번째로 칩 선택 신호인 CS와 RD 신호가 활성화되면, 두 번째로 주소가 지정하는 기억 장소로부터 데이터가 읽혀져서 최종적으로 데이터 버스에 정보가 실리게 된다. 대부분의 ROM은 데이터 출력 선이 8개인 조직을 사용하며 용량도 바이트(Byte) 단위로 표시한다.

 

 

 

마지막으로 RAM과 ROM 말고도 낸드(NAND) 플래시 메모리라 하는 기억장치가 있는데 RAM과 달리 기기의 전원을 차단해도 자료가 사라지지 않으며 충격, 진동, 온도 등에 강하고 전력 효율성이 뛰어나서 주로 모바일 디바이스에 사용되는 메모리가 있다. (최근 SK하이닉스에서 3D 238단 낸드의 개발에 성공)

 

 

(참고자료)

• 한국정보통신기술협회 – 정보통신용어사전 참고
• 컴퓨터 구조론 개정 5판, (김종현) - ‘기억장치’ 참고
• 두산백과(doopedia) 참고