[Computer Architecture] 캐시 메모리(Cache Memory)

캐시 메모리(Cache Memory)

속도가 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 대한 병목현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
ex1) CPU 코어와 메모리 사이의 병목 현상 완화
ex2) 웹 브라우저 캐시 파일은, 하드디스크와 웹페이지 사이의 병목 현상을 완화

• CPU가 주기억장치에서 데이터를 읽어올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장하고 다음에 불러올 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 불러오게 된다. 이는 속도면에서 뛰어나다.
• But, 캐시 메모리는 용량이 작고 가격이 비싸다.

캐시 메모리 사용 순서

• CPU에는 캐시 메모리가 2~3개 정도 사용된다.(L1, L2, L3 캐시 메모리라고 부른다.)
• 이는 속도와 크기에 따라 분류한 것으로, 일반적으로 L1 캐시부터 먼저 사용된다.
  
  • CPU에서 가장 빠르게 접근하고, 여기서 데이터를 찾지 못하면 L2로 간다.

 

듀얼 코어 프로세서의 캐시 메모리 : 각 코어마다 독립된 L1 캐시 메모리를 가지고, 두 코어가 공유하는 L2 캐시 메모리가 내장됨

만약 L1 캐시가 128kb면, 64/64로 나누어 64kb에 명령어를 처리하기 직전의 명령어를 임시 저장하고, 나머지 64kb에는 실행 후 명령어를 임시저장한다. (명령어 세트로 구성, I-Cache - D-Cache)

• L1 : CPU 내부에 존재
• L2 : CPU와 RAM 사이에 존재
• L3 : 일반적으로 메인보드에 존재

캐시 메모리 크기가 작은 이유는, SRAM 가격이 매우 비쌈

 

디스크 캐시 : 주기억장치(RAM)와 보조기억장치(하드디스크) 사이에 존재하는 캐시

 

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캐시 메모리 작동 원리

시간 지역성

• for나 while 같은 반복문에 사용하는 조건 변수처럼 한번 참조된 데이터는 잠시후 또 참조될 가능성이 높다.

공간 지역성

• A[0], A[1]과 같은 연속 접근 시, 참조된 데이터 근처에 있는 데이터가 잠시 후 또 사용될 가능성이 높다.

이처럼 참조 지역성의 원리가 존재한다.

 

• 캐시에 데이터를 저장할 때는, 이러한 참조 지역성(공간)을 최대한 활용하기 위해 해당 데이터뿐만 아니라, 옆 주소의 데이터도 같이 가져와 미래에 쓰일 것을 대비한다.
• CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 'Cache Hit', 없어서 DRAM에서 가져오면 'Cache Miss'라고 한다.

 

캐시 미스 경우 3가지

1. Cold miss
   • 해당 메모리 주소를 처음 불러서 나는 미스
2. Conflict miss
   • 캐시 메모리에 A와 B데이터를 저장해야 하는데, A와 B가 같은 캐시 메모리 주소에 할당되어 있어서 나는 미스 (direct mapped cache에서 많이 발생)
3. Capacity miss
   • 캐시 메모리의 공간이 부족해서 나는 미스 (Conflict는 주소 할당 문제, Capacity는 공간 문제)

=> 캐시 크기를 키워서 문제를 해결하려하면, 캐시 접근속도가 느려지고 파워를 많이 먹는 단점이 생긴다.

 

구조 및 작동 방식

Direct Mapped Cache

• 가장 기본적인 구조로, DRAM의 여러 주소가 캐시 메모리의 한 주소에 대응되는 다대일 방식

ex) 00000, 01000, 10000, 11000인 메모리 주소는 000 캐시 메모리 주소에 맵핑이처럼 캐시메모리는 인덱스 필드 + 태그 필드 + 데이터 필드로 구성된다.

• 간단하고 빠른 장점이 있지만, Conflict Miss가 발생하는 것이 단점이다
• 이때 000이 '인덱스 필드', 인덱스 제외한 앞의 나머지(00, 01, 10, 11)를 '태그 필드'라고 한다.

 

Fully Associative Cache

• 저장할 때는 매우 간단하지만, 찾을 때가 문제
• 조건이나 규칙이 없어서 특정 캐시 Set 안에 있는 모든 블럭을 한번에 찾아 원하는 데이터가 있는지 검색해야 한다.
• CAM이라는 특수한 메모리 구조를 사용해야하지만 가격이 매우 비싸다.
• 비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식

 

Set Associative Cache

실제로 위 두가지보다 나중에 나온 방식

• Direct + Fully 방식이다. 특정 행을 지정하고, 그 행안의 어떤 열이든 비어있을 때 저장하는 방식이다.
• Direct에 비해 검색 속도는 느리지만, 저장이 빠르고 Fully에 비해 저장이 느린 대신 검색이 빠른 중간형이다.