컴퓨터 구조론-캐쉬의 구성, 내부의 동작

1. 캐쉬 메모리의 개념

캐쉬 메모리란 CPU와 주기억장치(DRAM) 사이에 위치하는 고속의 임시 저장장치로, CPU가 필요한 데이터를 신속하게 제공하기 위해 설계된 메모리이다. 캐쉬는 CPU 내부에 존재하는 내부 캐쉬와 CPU 외부에 위치하는 외부 캐쉬로 구분되며, 각각 L1, L2, L3로 나뉜다. L1 캐쉬는 CPU 내부에 위치하여 속도가 가장 빠르며 용량은 보통 16KB에서 64KB 사이로 한정된다. L2 캐쉬는 L1보다 크고 느리며 128KB에서 512KB 정도로 존재한다. L3 캐쉬는 CPU 외부에 위치하며 수백 KB에서 수MB까지 확장되며, 여러 코어가 공유하는 형태를 띤다. 캐쉬 메모리는 주기억장치에 비해 수십 배나 빠른 속도를 갖고 있으며, 그 대신 가격이 비싸고 용량이 작다는 단점이 있다. 실제로 CPU가 명령어를 처리할 때, 먼저 캐쉬에서 해당 데이터를 찾고, 만약 없으면 주기억장치에서 불러오는 `캐쉬 미스`가 발생한다. 이는 처리 속도를 크게 저하시키는 원인으로 작용하며, 캐쉬의 효율적 설계와 운영이 전체 시스템 성능에 매우 중요한 영향을 미친다. 통계자료에 따르면, 현대 CPU에서는 평균 캐쉬 미스율이 1-3% 이하로 유지되면 전체 성능이 크게 향상되며, 캐쉬 미…