Update 2024-10-25-os.md

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@@ -5,6 +5,7 @@ author: yulmwu
 date: 2024-10-25 00:00:00 +0900
 categories: ["빠르게 끝내는 시리즈"]
 tags: ["컴퓨터", "하드웨어", "CPU"]
+use_math: true
 ---
 
 # 목차
@@ -62,8 +63,9 @@ tags: ["컴퓨터", "하드웨어", "CPU"]
             1. [RAM의 종류](#2-2-1-1-ram의-종류)
         2. [ROM](#2-2-2-rom)
             1. [ROM의 종류](#2-2-2-1-rom의-종류)
-        3. [캐시-메모리](#2-2-3-캐시-메모리)
-        4. [메모리 주소](#2-2-4-메모리-주소)
+        3. [캐시 메모리](#2-2-3-캐시-메모리)
+            1. [지역성](#2-2-3-1-지역성)
+        4. [메모리 구조와 주소](#2-2-4-메모리-구조와-주소)
     3. [보조기억장치](#2-3-보조기억장치)
     4. [입출력장치(I/O)](#2-4-입출력장치io)
     5. [버스](#2-5-버스)
@@ -630,9 +632,7 @@ CPU가 메모리에 올아와있는 프로그램의 명령어를 실행할 때 
 
 #### 2-1-3-5. 메모리 버퍼 레지스터
 
-> ### 버퍼(Buffer)
-> 
-> 버퍼(Buffer)는 어떤 장치(또는 메모리)에서 다른 장치로 데이터를 전달하거나 받을 때 시간의 차이를 맞추기 위해 데이터를 일시적으로 저장하는데, 이 공간을 버퍼라 한다.
+> **버퍼(Buffer)**는 어떤 장치(또는 메모리)에서 다른 장치로 데이터를 전달하거나 받을 때 시간의 차이를 맞추기 위해 데이터를 일시적으로 저장하는데, 이 공간을 버퍼라 한다.
 {: .prompt-tip }
 
 위 버퍼의 설명대로 CPU에서 주기억장치에 접근할 때 물리적으로 속도차이가 날 수 밖에 없는데, 이 속도 차이를 보완하기 위해 전달하고자 하는 데이터를 **메모리 버퍼 레지스터(MBR, Memory Buffer Register)**에 저장해두고 시간 차이를 줄인다음 전달하게 된다.
@@ -943,7 +943,7 @@ ARM 등이 RISC에 해당되며, 임베디드 시스템에 사용되는 프로
 우리가 앞서 "메모리"라고 하면 대부분 **RAM**을 의미한다고 설명하였다. ROM은 나중에 설명하고, RAM에 대해 먼저 설명하겠다.
 
 > CPU는 메모리로 부터 데이터를 가져와 명령어를 실행한다. 또한 데이터를 메모리에 저장하기도 한다.
-{:.info}
+{: .prompt-info }
 
 사실 위 설명만으로도 RAM이 어떤 역할을 하는지 대략적으로 알 수 있다.
 어떠한 프로그램이 실행되면 보조기억장치(HDD, SSD 등)에서 프로그램의 데이터[^ram1]를 메모리로 가져와 CPU가 실행하게 된다.
@@ -1035,7 +1035,48 @@ PROM은 처음에 데이터를 쓸 수 있지만, 한번 쓰면 다시 쓸 수 
 
 ### 2-2-3. 캐시 메모리
 
-### 2-2-4. 메모리 주소
+먼저, CPU와 메모리(RAM) 사이에는 속도 차이가 존재한다. CPU가 메모리에 접근하는 CPU의 연산 속도보다 느리다.
+때문에 메모리 버퍼 레지스터 같은 버퍼를 활용하여 속도 차이를 줄이는 방법이 있기도 한데, 다른 방법으론 **캐시 메모리(Cache Memory)**를 사용하는 방법이 있다.
+
+앞서 설명했지만 일반적으로 메모리(RAM)은 DRAM을 사용한다. 이는 속도가 느리다는 단점이 있지만, 대용량의 저장이 가능하다는 장점이 있다.
+캐시 메모리는 SRAM을 사용하는데, SRAM은 용량이 작고 가격이 비싸지만 속도가 빠르다는 장점이 있다.
+
+이처럼 CPU로 부터 가까운 레지스터 -> 캐시 메모리 -> 메모리 -> 보조기억장치 순으로 접근 속도가 느려지는데, 이를 **메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)**라고 한다.
+
+레지스터는 크기도 워낙 작고, RAM과 같은 역할로 쓰기엔 적절하지 않기 때문에 메모리(RAM)과 레지스터 사이에 캐시 메모리를 두어 속도 차이를 줄이는것이다.
+
+> **캐시(Cache)**는 사전적으로 "데이터나 값을 미리 저장해두는 임시 장소"라는 의미를 가지고 있다.
+> 간혹 크롬 등의 웹브라우저에서 캐시를 지우라는 말을 들어본적이 있을텐데, 여기서 나오는 캐시도 웹페이지의 데이터를 미리 저장해두는 임시 장소라는 의미이다.
+{: .prompt-tip }
+
+CPU가 메모리(RAM)에 자주 접근하면 그만큼 성능이 저하되나, 자주 접근하는 데이터를 캐시 메모리에 저장해두면 CPU가 빠르게 접근할 수 있어 성능이 향상된다.
+또한 CPU가 다음에 사용할 데이터를 예측하여 캐시 메모리에 저장하기도 한다.
+
+물리적인 CPU 구조로 보면 캐시도 계층적으로 구성되어있는데, 레벨로 구분하여 크게 **L1 캐시**, **L2 캐시**, **L3 캐시**로 나눌 수 있다.
+일반적으로 L1 캐시가 가장 빠르고 용량이 작고, L3 캐시가 가장 느리고 용량이 크다.
+
+#### 2-2-3-1. 지역성
+
+캐시 메모리는 RAM보다 크기가 훨씬 작다. 때문에 캐시 메모리에 어떤 데이터를 저장하는게 효율적인지를 판단해야 하는데, 이때 **지역성(Loacality)**이라는 개념이 중요하다.
+
+지역성은 데이터 접근이 시간적, 혹은 공간적으로 가깝게 발생하는걸 의미한다. 예를 들어 12번지의 명령어를 실행한다면 13번지의 명령어를 실행할 확률이 높다는 것도 지역성의 일종이다. (공간 지역성)
+
+지역성에는 크게 **시간 지역성(Temporal Locality)**과 **공간 지역성(Spatial Locality)**이 있다.
+
+* **시간 지역성**: 어느 메모리의 데이터를 접근했을 때, 가까운 시간 내에 다시 접근할 확률이 높다.
+* **공간 지역성**: 특정 메모리의 데이터를 접근했을 때, 그 주변 메모리의 데이터를 접근할 확률이 높다.
+
+---
+
+만약 예측하여 캐시 메모리에 저장한 데이터가 CPU에 의해 사용된다면, 즉 예측이 맞다면 이를 **캐시 히트(Cache Hit)**라고 하며, 그 반대인 예측에 실패한 경우를 **캐시 미스(Cache Miss)**라고 한다.
+캐시 미스가 많을수록 오히려 성능이 떨어지게 되므로, 이를 줄이는것이 성능 향상에 중요하다.
+
+> 캐시 적중(예측) 횟수를 전체 메모리 접근 수로 나눈 비율을 **캐시 적중률(Cache Hit Rate)**이라고 한다.
+> 
+> $\text{캐시 적중률(%)} = \left( \frac{\text{캐시 히트 수}}{\text{전체 메모리 접근 수}} \right) \times 100$
+{: .prompt-info }
+
+### 2-2-4. 메모리 구조와 주소
 
 ## 2-3. 보조기억장치