[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] "chapter7. 보조기억장치"

7-1 다양한 보조기억장치

하드디스크(=자기 디스크)

자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치.

플래터: 실질적으로 데이터가 저장되는 곳은 동그란 원판. 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극과 S극 저장. N극과 S극은 0과 1의 역할 수행.

스핀들: 플래터를 회전시키는 구성 요소.

RPM: 스핀들이 플래터를 돌리는 속도는 분당 회전수를 나타내는 단위.

 

헤드: 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성요소. 플래터 위에서 미세하게 떠 있는 채로 데이터를 읽고 쓰는, 바늘같이 생긴 부분.

디스크 암: 헤드는 원하는 위치로 헤드를 이동시키는 부착 도구.

하드 디스크는 훨씬 더많은 양의 데이터를 저장해야 하므로 일반적으로 여러 겹의 플래터로 이루어져 있고 양면 모두 사용 가능.

양면 플래터를 사용하면 위아래로 플래터당 두 개의 헤더가 사용.

플래터는 트랙과 섹터라는 단위로 데이터 저장.

트랙: 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그중 하나의 원.

섹터: 여러조각으로 나누어지는데 그 한조각. 하드디스크의 가장 작은 전송 단위.

블록: 하나 이상의 섹터를 묶은 것.

실린더: 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위.

연속된 정보는 한 실린더에 기록.

ex) 두 개의 플래터를 사용하는 하드 디스크에서 네 개 섹터에 걸쳐 데이터 저장. 첫 번째 플래터 윗면, 뒷면. 두 번째 플래터 윗면, 뒷면에 데이터 저장.

연속된 정보를 하나의 실린더에 기록하는 이유는 디스크 암을 움직이지 않고도 바로 데이터에 접근할 수 있기 때문.

저장된 데이터에 접근하는 과정.

하드디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간

-탐색시간: 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간.

-회전지연: 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간.

-전송시간: 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간.

 

 

"이 시간들은 성능에 큰 영향을 끼치는 시간"

 

※프로그래머가 꼭 알아야 할 컴퓨터 시간들

 

단일 헤드 디스크(= 이동 헤드 디스크): 플래터 한 면당 헤드가 하나씩 달려 있는 하드 디스크. 헤드를 데이터가 있는 곳까지 움직어야 함.

다중 헤드 디스크(= 고정 헤드 디스크): 헤드가 트랙별로 여러 개 달려 있는 하드디스크. 헤드를 움직일 필요가 없음.

 

 

플래시 메모리

전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치.

플래시 메모리 기반의 보조기억장치: USB메모리, SD카드, SSD카드.

 

-NAND 플래시 메모리: NAND 연산을 수행하는 회로(NAND게이트). 대용량 저장 장치로 많이 사용되는 플래시 메모리.

-NOR 플래시 메모리: NOR 연산을 수행하는 회로(NOR게이트). 

 

셀: 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위. 셀이 모여서 MB, GB, TB용량을 갖는 저장장치.

하나의 셀에 몇 비트를 저장하느냐에 따라 플래시 메모리 종류 나뉨.

-SLC: 한 셀에 1비트.

-MLC: 한 셀에 2비트.

-TLC: 한 셀에 3비트.

이는 플래시 메모리의 수명, 속도, 가격에 큰 영향 미침.

 

플래시 메모리, 하드디스크는 수명이 있음.

수명이 다하면 더 이상 저장 장치로써 사용 불가능.

한 셀에 일정 횟수 이상 데이터를 쓰고 지우면 그 셀은 더 이상 데이터를 저장 불가능.

 

 

SLC, MLC, TLC 타입의 특징과 차이점.

SLC 타입

한 셀로 두개의 정보 표현.

비트의 빠른 입출력 가능.

수명도 길어서 데이터를 쓰고 지우고 반복 가능.

용량 대비 가격 높음.

MLC 타입

한 셀로 네 개의 정보 표현.

대용량화 유리.

용량 대비 가격 저렴.

TLC 타입

한 셀로 여덟개의 정보 표현.

대용화 하기 유리.

수명과 속도가 떨어지지만 용량 대비 가격 저렴.

 

같은 용량의 플래시 메모리 저장 장치라고 할지라도 셀의 타입에 따라 수명, 가격, 성능 다름.

 

페이지: 셀들이 모여서 만든 단위.

블록: 페이지가 모여 만든 단위.

플레인: 블록이 모여 만든 단위.

다이: 플레인이 모여 만든 단위.

 

플래시 메모리의 가장 큰 특징.

플래시 메모리: 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이루어짐.

삭제: 페이지보다 큰 블록단위로 이루어짐.

 

페이지의 3가지 상태.

1. Free 상태

어떤 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터 저장할 수 있는 상태.

2. Valid 상태

이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태.

3. InValid 상태

쓰레기값이라 부르는 유효하지 않는 데이터를 저장하고 있는 상태.

 

플래시 메모리는 하드 디스크와 달리 덮어쓰기가 불가능해 Valid 상태인 페이지에는 새 데이터 저장 x.

 

X라는 블록이 네개의 페이지로 이루어짐.

그 중 두개의 페이지에 A,B 데이터 저장.

블록 X에 새로운 데이터 C를 저장한다면?

A만을 A'로 수정하고 싶다면?

기존에 저장된 A는 InValid 상태가 되어 더 이상 값이 유효하지 않는 쓰레기 값.

새로운 A' 데이터 저장.

 

A와 같이 쓰레기값 저장하고 있는 공간. 용량 차지, 낭비.

삭제는 블록 단위로 수행되기 때문에 A만 지울 수 없음.

가비지 컬렉션: SSD를 비롯한 플래시 메모리는 쓰레기값 정리 위해 사용하는 기능.

 -유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사.

 -기존 블록을 삭제.

 

블록 X의 모든 유효한 페이지를 -> 새로운 블록 Y로 옮김 -> 블록 X 삭제.

 

 

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7-2 RAID의 정의와 종류

1TB 하드 디스크 네개와 4TB 하드 디스크 한개를 비교했을 때,

1TB 하드 디스크 네개 로 RAID 구성    >    4TB 하드 디스크 한개

 

RAID의 정의

정보를 어떻게 안전하게 관리할 건가.

RAID: 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술. 데이터의 안정성, 높은 성능을 위해 여러개 물리적 보조기억장치를 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술.

 

RAID의 종류

여러 개의 하드 디스크나 SSD를 마치 하나의 장치처럼 사용하는 RAID를 구성하는 방법 여러가지.

RAID 구성 방법 = RAID 레벨

RAID1, RAID2, RAID3, RAID4, RAID5, RAID6 ...

 

RAID 0

여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식.

1TB 하드 디스크 네개로 RAID 0 을 구성했을 때.

데이터를 저장할 때 각 하드 디스크는 번갈아가며 데이터 저장. 저장되는 데이터가 하드 디스크 개수 만큼 나눠 저장.

스트라입: 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터.

스트라이핑: 분산하여 저장하는 것.

스트라이핑되면 저장된 데이터 읽고 쓰는 속도 빨라짐.

4TB 저장 장치 한개를 읽고 쓰는 속도   <   RAID 0 로 구성된 1TB 저장 장치 네개의 속도 

-단점

저장된 정보 안전하지 않음.

하드 디스크 중 하나에 문제 생기면 다른 모든 하드 디스크 문제.

 

RAID 1

복사본을 만드는 방식.

미러링: 거울처럼 완전한 복사본을 만드는 구성.

RAID 1에 어떠한 데이터를 쓸 때는 원본과 복사본 두 군데 사용. 쓰기 속도 느림.

장점: 복구가 매우 간단.

단점: 하드 디스크 개수가 한정되었을 때 사용 가능한 용량이 적어짐. 복사본이 만들어지는 용량만큼 사용자가 사용하지 못함. 

 

RAID 4

완전한 복사본을 만드는 대신 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보 저장한 장치를 두는 구성 방식.

패리티 비트: 오류 검출하고 복구하기 위한 정보.

패리티를 저장한 장치를 이용해 다른 장치들의 오류 검출. 오류가 있다면 복구.

적은 하드 디스크로도 데이터 안전하게 보관.

패리티비트

① RAID 4에서는 패리티 정보 저장한 장치로써 나머지 장치들의 오류 검출, 복구

② 패리티 비트는 본래 오류 검출용 정보지만, RAID에서는 오류 복구도 가능.

 

RAID 5

RAID 4에서 패리티를 저장하는 장치에 병목현상 발생 문제.

패리티 정보 분산하여 저장하는 방식. 병목 현상 해소.

 

RAID 6

구성은 RAID 5와 같음. 

서로 다른 두개의 패리티를 두는 방식. 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단 2개. 안전한 구성.

새로운 정보를 저장할 때마다 함께 저장할 패리티가 두개이므로 쓰기 속도는 느림.

저장속도를 희생하도라도 데이터 더욱 안전하게 보관할 때 사용.

 

 

각 RAID 레벨마다 장단점 있으므로 상황에서 무엇을 최우선으로 원하는지에 따라 최적의 레벨 달라짐.

 

 

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출처

https://hongong.hanbit.co.kr/%ec%bb%b4%ed%93%a8%ed%84%b0-%ea%b5%ac%ec%a1%b0-%ec%9a%b4%ec%98%81%ec%b2%b4%ec%a0%9c/

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