[컴퓨터 구조]레지스터와 메모리

April 1, 2021

레지스터(Register)

프로세서 레지스터(영어: processor register, 순화 용어: 기록기) 또는 단순히 레지스터는 컴퓨터의 프로세서 내에서 자료를 보관하는 아주 빠른 기억 장소이다. 일반적으로 현재 계산을 수행중인 값을 저장하는 데 사용된다. 대부분의 현대 프로세서는 메인 메모리에서 레지스터로 데이터를 옮겨와 데이터를 처리한 후 그 내용을 다시 레지스터에서 메인 메모리로 저장하는 로드-스토어 설계를 사용하고 있다.
레지스터는 메모리 계층의 최상위에 위치하며, 가장 빠른 속도로 접근 가능한 메모리이다. 최신 프로세서에서 레지스터는 대개 레지스터 파일로 구현되지만, 과거에는 플립플롭, 마그네틱 코어, 박막 필름 메모리 등으로 구현되기도 했다.

레지스터의 종류

데이터 레지스터 : 정수 값을 저장할 수 있는 레지스터.
주소 레지스터 : 메모리 주소를 저장하여 메모리 접근에 사용되는 레지스터. 어떤 프로세서에서는, 주소를 저장하는 것이 아니라 조작하기 위한 목적으로 색인 레지스터를 사용하기도 한다.
범용 레지스터 : 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터.
부동소수점 레지스터 : 많은 시스템에서 부동소수점 값을 저장하기 위해 사용된다.
상수 레지스터 : 0이나 1 등 고정된 값을 저장하고 있는 레지스터.
특수 레지스터 : 프로그램의 상태를 저장한다. 프로그램 카운터, 스택 포인터, 상태 레지스터 등이 있다.
- 명령 레지스터 : 현재 실행중인 명령어를 저장한다.
- 색인 레지스터 : 실행중에 피연산자의 주소를 계산하는 데 사용된다.

레지스터의 일반적인 구성

PC(프로그램 계수기) : 다음에 실행할 명령어(instruction)의 주소를 가지고 있다.
IR(명령어 레지스터) : 현재 수행 중인 명령어를 가지고 있다.
MAR(메모리 주소 레지스터) : 메모리로부터 읽어오거나 메모리에 쓰기 위한 주소를 가지고 있다.
MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 메모리로부터 읽어온 데이터 또는 메모리에 써야할 데이터를 가지고 있다.
I/O AR(입출력 주소 레지스터) : 입출력 장치에 따른 입출력 모듈의 주소를 가지고 있다.
I/O BR(입출력 버퍼 레지스터) : 입출력 모듈과 프로세서 간의 데이터 교환을 위해 사용된다.

(출처: 위키백과)

캐시(Cache)

캐시(cache, 문화어: 캐쉬, 고속완충기, 고속완충기억기)는 컴퓨터 과학에서 데이터나 값을 미리 복사해 놓는 임시 장소를 가리킨다. 캐시는 캐시의 접근 시간에 비해 원래 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우나 값을 다시 계산하는 시간을 절약하고 싶은 경우에 사용한다. 캐시에 데이터를 미리 복사해 놓으면 계산이나 접근 시간 없이 더 빠른 속도로 데이터에 접근할 수 있다.

대용량의 메인 메모리 접근을 빠르게 하기 위해 CPU 칩 내부나 바로 옆에 탑재하는 작은 메모리이다. 1980년대 이후 대부분의 CPU는 하나, 많게는 5-6개까지의 서로 다른 기능을 가진 CPU 캐시를 장착하고 있다. 메모리 접근 속도가 늘어나는 것에 비해 CPU의 처리 속도가 훨씬 빠르게 늘어나고 있기 때문에, 용량은 작지만 속도가 빠른 CPU 캐시는 현재 마이크로프로세서의 성능에 직접적인 영향을 미친다.

레지스터와 캐시의 차이

레지스터에 들어오는 데이터는 처리되기 위해서 들어오는 것이지 저장되기 위해서 들어오는 것이 아닙니다. 즉, 레지스터는 데이터 처리를 위한 구성요소로써 CPU 의 필수 구성요소이지만 캐시는 저장을 위한 요소로 CPU 의 보조 구성요소입니다.

RAM(Random Access Memory)

램(RAM)은 임의의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한 주기억 장치다. 반도체 회로로 구성되어 있으며 휘발성 메모리다.

RAM의 종류

휘발성 메모리: 전원 공급이 중단되면 기억된 내용이 지워진다.
- 디램(DRAM, Dynamic Random Access Memory) 데이터를 유지하기 위해 일정 시간마다 재생(refresh)해 주어야 하는 램.
- 에스램(SRAM, Static Random Access Memory) 전원이 공급되는 동안 데이터가 유지되는 램. 일정 시간마다 재생해 주지 않아도 된다.
비휘발성 메모리: 전원 공급이 끊어져도 기억된 내용은 지워지지 않는다.
- 플래시 메모리(Flash Memory) 값이 싸고 집적도가 높지만 느리다.
- 에프램(FRAM, Ferroelectric Random Access Memory) 디램과 비슷하지만 데이터를 유지하기 때문에 재생해 주지 않아도 된다.
- 피램(PRAM, Phase-change Random Access Memory) 상변태를 하는 물질을 이용하여 저항차이로 데이터를 저장한다. 디램에 비하여 전력소모가 매우 작은 장점이 있다.

DRAM의 원리

축전기에 전기를 흘려 주면 충전되며, 방전되는 시간이 느리다. 따라서 주기적으로 충전되어 있는 상태(리프레싱)를 유지해 주면 기억이 저장된다.
디램은 작은 축전기에 전하를 충전시키거나 방전시켜 디지털(1/0) 신호를 기억하는 반도체소자이다. 축전기에 전하가 충전된 상태를 ‘1’이라고 하며, 방전된 상태를 ‘0’이라고 한다. 그런데 충전된 전하는 시간이 지남에 따라 여러 경로를 통해 소실된다. 그러므로, 디램 소자는 기억된 데이터를 유지하기 위해 주기적으로 전하를 재충전시켜야 한다. 이를 메모리 리프레시(memory refresh)라고 한다.

최근 RAM의 사양

최근 PC에 사용되는 메모리 램은 DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM같은 DDR SDRAM계열이다. 일반적으로 램은 메모리 저장 방식뿐만 아니라 같은 방식일지라도 클럭수의 속도가 다르면 함께 사용할 수 없거나 불안정할 수 있으나 최근 마더보드의 지원 성능에 따라 상호호환이 가능한 경우도 있을 수 있거나 2개 이상을 함께 사용해야 하는 경우도 있다. 그러나 여전히 마더보드 차원에서 지원하는 클럭수를 초과해서는 사용할 수 없다.