[Part2-공룡책] 9. 대용량 저장장치 구조 - Operating System(OS)

Operating System(OS)에 이어서 Part2에는  다음과 같은 순서*로 알아보겠습니다. 

*공룡책 기반

 [프로세스 관리]

 1. 프로세스 

2. 스레드와 병행성 

3. CPU 스케줄링

 [프로세스 동기화] 

4. 프로세스동기화 

5. 동기화 예제 

6. 교착상태

 [메모리 관리] 

7. 메인 메모리 

8. 가상 메모리

[저장장치 관리]

9. 대용량 저장장치 구조

10. 입출력 시스템

[파일시스템]

11. 파일시스템 인터페이스

12. 파일시스템 구현

 
Operating System(OS) Part2 -  9. 대용량 저장장치 구조

 

1. 대용량 저장장치 구조
1.1. 하드 디스크 드라이브(HDD)

• 개요: HDD는 자기 디스크 플래터를 사용하여 데이터를 저장하는 전통적인 저장 장치입니다. 플래터는 고속으로 회전하며, 읽기/쓰기 헤드가 플래터 표면 위를 움직여 데이터를 읽고 씁니다.
• 구성 요소:
  • 플래터(Platter): 데이터를 저장하는 자기 디스크. 플래터의 표면은 원형 트랙으로 나뉘고, 트랙은 다시 섹터로 나뉘고, 각각의 트랙은 수백 개의 섹터를 포함할 수 있습니다.
  • 스핀들(Spindle): 플래터를 고속으로 회전시키는 축.
  • 읽기/쓰기 헤드(Read/Write Head): 데이터를 읽고 쓰는 장치.
  • 액추에이터(Actuator): 읽기/쓰기 헤드를 정확한 위치로 이동시키는 장치.
  • 컨트롤러(Controller): 데이터 전송을 관리하는 전자 장치.
  • 디스크 암 : 읽기-쓰기 헤드가 붙어있고, 플래터 표면 위에서 움직임.
  • 섹터 : 가장 작은 전송 단위이며, 크기가 고정되어 있음. 
    디스크 드라이브 모터는 고속으로 회전하는데, 회전 속도는 전송 속도(드라이브와 컴퓨터 간의 데이터 흐름 속도)와 관련이 있습니다. 
    
    디스크 암이 원하는 실린더로 이동하는 시간을 탐색 시간, 원하는 섹터가 디스크 헤드 위치까지 회전하는 데 걸리는 시간을 회전 지연시간이라 합니다.
    
    일반적인 디스크는 초당 수백~수백 메가바이트의 데이터를 전송할 수 있고, 수 밀리초의 탐색 시간과 회전 지연 시간을 가집니다.
• 장점:
  • 대용량의 데이터를 저렴한 비용으로 저장할 수 있습니다.
  • 데이터 복구가 용이합니다.
• 단점:
  • 기계적 부품으로 인해 물리적 손상에 취약합니다.
  • 상대적으로 느린 데이터 접근 속도를 가집니다.

 

 

 

 

씨게이트 바라쿠다 하드디스크 HDD

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1.2. 비휘발성 메모리 장치(NVM)

• 개요: NVM은 전원이 꺼져도 데이터를 보존할 수 있는 저장 장치로, 플래시 메모리와 같은 형태로 많이 사용됩니다.
• 유형
  • NAND 플래시 메모리: 주로 SSD(Solid State Drive)와 USB 드라이브에 사용됩니다.
  • NOR 플래시 메모리: 빠른 읽기 속도를 요구하는 임베디드 시스템에서 주로 사용됩니다.
• 장점:
  • 전력 소비가 낮고 데이터 접근 속도가 빠릅니다.
  • 기계적 부품이 없어 내구성이 강합니다.
• 단점:
  • 상대적으로 높은 가격.
  • 쓰기 및 지우기 수명이 제한적입니다.

 

2. 휘발성 메모리

• 개요: 휘발성 메모리는 전원이 꺼지면 데이터가 손실되는 메모리로, 주로 주기억 장치로 사용됩니다. 대표적인 예로 RAM(Random Access Memory)이 있습니다.
• 특징:
  • 속도: 매우 빠른 데이터 접근 속도를 제공합니다.
  • 용도: CPU가 데이터를 빠르게 읽고 쓸 수 있도록 지원하며, 실행 중인 프로그램과 데이터를 임시로 저장합니다.
  • 종류:
    • DRAM(Dynamic RAM): 주기적으로 리프레시(refresh)해야 하는 메모리.
    • SRAM(Static RAM): 리프레시가 필요 없지만 비싸고 용량이 작습니다.

 

 

 

 

3. 메모리 분류

 

4. RAM 

 1) 휘발성 메모리

• DRAM (Dynamic Random Access Memory):
  • 정의: DRAM은 데이터를 저장하기 위해 전하를 이용하며, 각 비트는 캐패시터와 트랜지스터로 구성된 셀에 저장됩니다.
  • 특징: 주기적으로 리프레시(refresh) 해야 하며, 전력을 공급받는 동안만 데이터를 유지합니다.
  • 장점: 높은 밀도와 저렴한 비용.
  • 단점: 리프레시 작업이 필요하여 전력 소비가 상대적으로 큽니다.
• SRAM (Static Random Access Memory):
  • 정의: SRAM은 플립플롭 회로를 사용하여 각 비트를 저장합니다.
  • 특징: 리프레시가 필요 없고 DRAM보다 빠르지만, 용량이 작고 비용이 높습니다.
  • 장점: 빠른 데이터 접근 속도.
  • 단점: 높은 비용과 낮은 밀도.
• SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory):
  • 정의: SDRAM은 시스템 버스 클록 신호에 동기화된 DRAM입니다.
  • 특징: 데이터 전송 속도가 빠르며, 클록 신호를 따라 동작합니다.
  • 장점: 높은 성능과 효율적인 데이터 전송.
  • 단점: 복잡한 설계와 상대적으로 높은 비용.

 

 2) 비휘발성 메모리

• 플래시 메모리:
  • 정의: 플래시 메모리는 전자적으로 데이터를 지우고 다시 쓸 수 있는 비휘발성 메모리입니다.
  • 특징: NAND와 NOR 플래시 메모리로 나뉘며, 주로 저장 장치(USB 드라이브, SSD 등)에 사용됩니다.
  • 장점: 데이터 저장 밀도가 높고 전력 소비가 적습니다.
  • 단점: 제한된 쓰기/지우기 사이클.
• FRAM (Ferroelectric RAM):
  • 정의: FRAM은 강유전체를 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리입니다.
  • 특징: 전력 소비가 낮고, 빠른 읽기/쓰기 속도를 제공합니다.
  • 장점: 높은 내구성과 빠른 접근 속도.
  • 단점: 비교적 낮은 저장 밀도와 높은 비용.
• PRAM (Phase-Change RAM):
  • 정의: PRAM은 상변화 물질을 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리입니다.
  • 특징: 비트의 상태를 결정하기 위해 물질의 상변화를 이용합니다.
  • 장점: 높은 내구성과 속도.
  • 단점: 비용이 높고, 제조 공정이 복잡합니다.

5. ROM (Read-Only Memory)

• 마스크 롬 (Mask ROM):
  • 정의: 마스크 롬은 제조 과정에서 데이터를 미리 기록하여 변경할 수 없는 읽기 전용 메모리입니다.
  • 특징: 제조 시점에서 데이터가 영구적으로 저장됩니다.
  • 장점: 데이터 보존 기간이 매우 길고, 저비용 대량 생산이 가능합니다.
  • 단점: 데이터 변경이 불가능하며, 유연성이 부족합니다.
• PROM (Programmable ROM):
  • 정의: PROM은 사용자가 한 번 데이터를 기록할 수 있는 메모리입니다.
  • 특징: 특수한 기기를 사용하여 한 번만 데이터를 쓸 수 있습니다.
  • 장점: 사용자 정의 데이터 저장이 가능합니다.
  • 단점: 한 번 쓰기 이후에는 데이터 변경이 불가능합니다.
• EPROM (Erasable Programmable ROM):
  • 정의: EPROM은 자외선(UV) 빛을 이용하여 데이터를 지우고 다시 쓸 수 있는 메모리입니다.
  • 특징: 자외선 노출로 데이터를 지운 후 다시 프로그래밍할 수 있습니다.
  • 장점: 데이터를 여러 번 수정할 수 있습니다.
  • 단점: 자외선 소거가 필요하며, 소거 과정이 번거롭습니다.