[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] Chapter 07 보조기억장치

Chapter 07 보조기억장치

1. 다양한 보조기억장치

하드 디스크/ 플래터/ 데이터 접근 시간/ 플래시 메모리/ 페이지/ 블록

 

보조기억장치: 하드 디스크, 플래시 메모리(ex. USB 메모리, SD 카드, SSD)

하드 디스크(HDD; Hard Disk Drive) = 자기 디스크(magnetic disk)

자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치

• • 트랙(track): 플래터를 여러 동심원으로 나눴을 때 그중 하나의 원
  • 섹터(sector)
    • 트랙을 여러 조각으로 나눈 것 중 한 조각
    • 하드 디스크의 가장 작은 전송 단위
    • 블록(block): 하나 이상의 섹터
  • 실린더(cylinder)
    • 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위
    • 연속된 정보는 한 실린더에 기록 -> 디스크 암을 움직이지 x 바로 데이터 접근 O
  • -> 한 플래터 -> 동심원으로 나눈 공간: 트랙/ 같은 트랙끼리 연결한 원통 모양 공간: 실린더
    => 트랙과 섹터로 나뉘고, 같은 트랙 모여 실린더 이룸플래터(platter):실질적으로 데이터가 저장되는 곳
    CD나 LP에 비해 많은 양의 데이터 저장 => 여러 겹의 양면 플래터(위아래 플래터당 2개의 헤드 사용)

• 스핀들(spindle): 플래터를 회전시키는 구성 요소
  • RPM(Revolution Per Minute): 스핀들이 플래터를 돌리는 속도, 분당 회전수
    • ex. RPM이 15,00인 하드 디스크: 1분에 15,000바퀴를 회전하는 하드 디스크
• 헤드(head): 플래터를 대상으로 읽고 쓰는 구성 요소, 플래터 위 미세하게 떠 있는 채로 데이터 읽고 씀
• 디스크 암(disk arm): 헤드를 원하는 위치로 이동시킴

하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간

• 탐색 시간(seek time): 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간
• 회전 지연(rotational latency): 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간
• 전송 시간(transfer time): 하드 디스크와 컴퓨터 간의 데이터를 전송하는 시간

 

• 단일 헤드 디스크(single-head disk) = 이동 헤드 디스크(movable-head disk)
  • 플래터의 한 명당 헤드가 하나씩 달려 있는 하드 디스크
• 다중 헤드 디스크(multiple-head disk) = 고정 헤드 디스크(fixed-head disk)
  • 헤드가 트랙별로 여러 개 달려 있는 하드 디스크
  • 트랙마다 헤드 O -> 탐색 시간 X => 탐색 시간: 0 = 헤드 움직일 필요 X

 

 

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플래시 메모리(flash memory)

• NAND 메모리: NAND 연산을 수행하는 회로(NAND 게이트) 기반으로 만들어진 메모리, 대용량 저장 장치로 많이 사용
• NOR 플래시 메모리: NOR 연산을 수행하는 회로(NOR 게이트) 기반으로 만들어진 메모리

 

• 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치
• ex. USB 메모리, SD 카드, SSD
• 하나의 셀(cell)에 몇 비트 저장할 수 있는지 -> 플래시 메모리 종류
  셀: 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위 -> 모여서 MB, GB, TB 용량 갖는 저장 장치가 됨
  => 플래시 메모리의 수명, 속도, 가격에 영향 미침
  • SLC(Single Level Cell): 한 셀(집)에 1비트(사람) 저장 = 한 집에 1명
  • MLC(Multiple Level Cell): 한 셀에 2비트 저장 = 한 집에 2명
  • TLC(Triple-Level Cell): 한 셀에 3비트 저장 = 한 집에 3명

구분	SLC	MLC	TLC
셀당 bit	1bit	2bit	3bit
수명	↑	보통	↓
읽기/쓰기 속도	빠르다	보통	느리다
용량 대비 가격	↑	보통	↓

 

• 읽기/쓰기 단위(페이지) != 삭제 단위(블록)
  • 셀 -> 페이지(page) -> 블록(block) -> 플레인(plane) -> 다이(die)

 

페이지 상태

• Free 상태: 어떠한 데이터도 저장 X 새로운 데이터 저장할 수 있는 상태
• Valid 상태: 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
  • 덮어쓰기 X(vs. 하드 디스크) -> 새 데이터 저장 X
• Invalid 상태: 쓰레기값이라 부르는 유효하지 X 데이터 저장하고 있는 상태
  • 쓰레기값 저장하고 있는 공간은 사용 X 공간 But, 용량 차지 -> 용량 낭비
    => (해결) 가비지 컬렉션(garbage collection) 
    1. 유효한 페이지들만을 새로운 블록으로 복사
    2. 기존의 블록을 삭제하여 공간 정리

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2. RAID의 정의와 종류

RAID/ RAID 0/ RAID 1/ RAID 4/ RAID 5/ RAID 6

Q. 1TB 하드디스크 4개 동시 사용 vs. 4TB 하드 디스크 하나 사용?
A. 1TB 하드디스크 4개 동시 사용

 

민감 정보 안전하게 관리 But, 보조기억장치에도 수명 O 

RAID(Redundant Array of Independent Disks)

• 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술
• 데이터 안전성 or 성능 ↑ -> 여러 개의 보조기억장치를 1개의 보조기억장치처럼 사용하는 기술

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RAID의 종류

RAID 레벨: RAID 구성 방법

RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6

(파생) RAID 10, RAID 50

• RAID 0: 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나눠 저장하는 구성 방식
  • 번갈아 가며 데이터 저장 = 저장되는 데이터 -> 하드 디스크 개수만큼 나뉘어 저장
  • 병렬로 균등하게 분산하여 저장
  • 스트라입(strip): 줄무늬처럼 분산돼 저장된 데이터
  • 스트라이핑(striping): 분산하여 저장하는 것
  • (+) 데이터 분산되어 저장(스트라이핑) -> 저장된 데이터 읽고 쓰는 속도 ↑
    • ex. RAID 0로 구성된 1TB 저장 장치 4개 속도가 이론상 4배 빠름
  • (-) 저장된 정보 안전 X
    • 1개 문제 -> 다른 모든 하드 디스크의 정보 읽는데 문제 생길 수 있음
• RAID 1 = 미러링(mirroring): 완전한 복사본을 만드는 방식 
  
  • 데이터 쓸 때 원본, 복사본 2곳에 씀 -> 쓰기 속도 ↓
    • RAID 0 구성: 4TB 정보 저장/ RAID 1: 2TB 정보 저장
  • (+) 복구 매우 간단 
  • (-) 하드 디스크 개수 한정 -> 사용 가능한 용량 ↓ -> ↑ 하드 디스크 필요 => 비용 ↑
• RAID 4: (완전한 복사본 만드는 대신) 패리티를 저장한 장치를 따로 두는 방식
  • 패리티 비트(parity bit): 오류 검출하고 복구하기 위한 정보
    본래 오류 검출용 정보(복구 불가능) But, RAID에서는 오류 복구도 가능
  • 패리티를 저장한 장치 -> 다른 장치 오류 검출 -> 오류 O -> 복구
  • (+) ↓ 하드 디스크로 데이터 안전하게 보관 O
  • (-) 패리티를 저장한느 장치에 병목 현상 발생
    -> 어떤 새로운 데이터가 저장될 때마다 패리티를 저장하는 디스크에도 데이터 쓰게 됨 
    
• RAID 5: 패리티를 분산하여 저장하는 방식
• RAID 6: 서로 다른 2개의 패리티 두는 방식 = 오류 검출하고 복구할 수 있는 수단 2개
  • 구성은 RAID 5
  • (+) 안전한 구성
  • (-) 새로운 정보 저장할 때마다 함께 저장할 패리티 2개 -> 쓰기 속도 ↓
  • => 저장 속도 ↓, 데이터 안전하게 보관

=>  Nested RAID: 여러 RAID 레벨을 혼합한 방식

ex. RAID 10 = RAID 0 + RAID 1/ RAID 50 = RAID 0 + RAID 5

RAID 0/ RAID 1/ RAID 4

RAID 5/ RAID 6

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추가

해밍 코드 

• 에러 교정 코드
• 패리티 비트를 정보의 수에 따라 피룡한 수만큼 사용
  -> 코드 그룹의 적당한 장소에 놓고, 패리티 비트 조합에 의해 에러 검출 및 교정을 수행하게 하는 코드
• $2^p >= m + P + 1$ (m: 정보 비트 수/ P: 패리티 수)
  • IF. 해밍코드에  의해 구성된 코드: 16비트 -> $2^4 = 16$ => p=4, $16 >= m + 4 + 1$ -> m = 11
• 해밍 코드에서 패리티 비트의 자리: 1, 2, 4, 8, 16, ...

ex. 1011에 대한 짝수 해밍코드 (m = 4)
p = 3 ( $8 >= 4 + 3 + 1$)

h1    h2    h3    h4    h5    h6    h7 <- 해밍코드
p1    p2    D1    p3    D2    D3    D4
p1    p2    1       p3    0       1       1

p1: 1, 3, 5, 7에서 1의 개수가 짝수 p = 0
(-> p1위치에서부터 1칸씩 뜀/ 0를 검출로 표시했을 때 0x0x0x...)
p2: 2, 3, 6, 7에서 1의 개수가 짝수 p = 1
(-> p2위치에서부터 2칸씩 뜀/ 0를 검출로 표시했을 때 00xx00xx...)
p3: 4, 5, 6, 7에서 1의 개수가 짝수 p = 0 
(-> p3위치에서부터 4칸씩 뜀/ 0를 검출로 표시했을 때 0000xxxx...)

=> 0110011

 

[컴퓨터구조] 패리티 비트와 해밍 코드

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출처

[한빛미디어] 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제