컴퓨터의 이해 5강 - 보조기억장치와 데이터 저장

1. 보조기억장치 개요

(1) 컴퓨터 시스템의 구성

- 보조기억장치에는 반영구적인 프로그램들이 저장이되어, 주기억장치(RAM)에 올라와 프로그램이 실행되는 원리이다.

- 쉽게말해, CPU는 주기억장치를 통해 보조기억장치에 데이터를 반영구적으로 저장하는 개념이다.

 

(2) 보조기억장치의 필요성

[1] 대용량의 기억장치의 필요성

 - 주기억장치는 프로그램 및 데이터를 모두 수용하기에는 충분하지 않는 기억장치이다.

 - 주기억장치는 빠른 대신 가격이 비싸다는 단점이 있지만, 보조기억장치는 용량이 크고 싸다는 장점이 있음.

 - 반도체 집적기술의 향상으로 주기억장치의 용량이 크게 늘었지만, 컴퓨터 응용 영역이 확장됨에 따라 데이터는 더 큰 폭으로 증가 되었음.

 - 이러한 대용량의 데이터를 저장하기 위해 보조기억장치가 필요하다.

[2] 비휘발성 기억장치

 - 주기억장치는 전원의 공급이 있을 때만 데이터를 유지할 수 있다. 즉, 휘발성이 있다는 단점이 있음.

 - 하지만, 보조기억장치는 반영구적으로 저장이 가능하기 떄문에 비휘발성이라는 장점이 존재해서 필요함.

[3] 주기억장치의 효율적 사용

 - 기억장치 계층구조 : 컴퓨터 시스템에서 데이터를 저장하고 접근하는 방식을 효율적으로 구성하기 위한 구조이다.

 - 레지스터 : CPU 내부에 위치하며, 데이터 처리 중 필요한 값을 저장함. 속도는 가장 빠르지만, 용량이 매우 적음.

 - 캐시 메모리 : 레지스터보단 느리지만 주기억장치보단 빠름. CPU와 주기억장치 사이에 위치하며 자주 사용되는 데이터를 저장함.

 - 주기억장치 : 레지스터와 캐시보단 느리지만 보조기억장치보단 빠름. 프로그램과 데이터가 실행 중일 때 사용되는 메모리이다.

 - 보조기억장치 : 속도는 느리지만, 용량이 매우크다는 장점이 있으며, 데이터를 영구적을 저장할 수 있음.

 - 이렇게 주기억장치 외에도 다양한 기억장치가 있으며, 각각 상호작용하며, 서로의 단점을 보완하고 있음.

 

(3) 보조기억장치의 종류

 - 순차접근방식 : 순차적으로 데이터에 접근을 하는 방식이다.

 - 직접접근방식: 직접적으로 원하는 데이터에 접근을 하는 방식이다.

 

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2. 자기테이프 기억장치

(1) 자기테이프 기억장치의 특성

[1] 순차접근 기억장치

 - 물리적 순서에 따라 데이터를 저장함.

 - 기록된 순서에 따라 읽을 수 있음.

[2] 원하는 위치에 신속하게 접근할 수 없음

 - 대화식 처리에 직접 사용하기에 적합하지 않음

 - 데이터의 백업 용으로 주로 사용 됨. (보관용)

 

(2) 초기의 자기테이프 드라이브

 - IBM System 360 테이프 드라이브, DEC TE 16 9-트랙 테이프 드라이브 등이있음.

 

(3) 카트리지 테이프

 - 최근의 자기테이프는 카트리지 내부에 장착됨.

 - 테이프를 보호하고 다루기 편리하게 함.

 - DAT, DLT, LTO 등이 있음. ( 저장용량이 LTO-9의 경우 18TB 대용량의 저장공간을 제공한다. )

 

(4) 테이프 라이브러리

 - 최대 수 엑사(10의 18제곱)바이트에 이르는 대용량 기억장치이다.

 - 1개 이상의 테이프 드라이브와 여러 개의 테이프 카트리지를 보환할 수 있는 슬룻, 테이프를 식별하기 위한 바코드 입력기, 테이프를 자동으로 드라이브에 장착하기 위한 로봇 등이 포함 되어있다.

 - 백업, 자주 사용되지 않는 데이터의 저장 등의 용도로 활용이 된다.

 

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3. 자기디스크 기억장치

(1) 직접접근 저장장치

 - 데이터의 위치를 지정하여 데이터를 저장하거나 읽어 낼 수 있는 저장장치

 - 대화식 처리를 위한 빠른 데이터 처리를 위해서는 직접접근 저장장치가 필요함.

 - 직접접근 저장장치는 자기디스크, 광디스크, 반도체 저장장치 등이 있음.

 

(2) 자기디스크 개요

 - 자성체가 코팅된 원판 형태의 기록 매체 위에서 판독/기록 헤드를 움직여 원하는 위치에 접근하는 직접접근 저장장치이다.

 - 최초의 디스크 드라이브는 IBM 350 디스크 저장장치이며, 매우 크다.

 - IBM 305 RAMAC 컴퓨터 시스템에 사용(1956년)

 

(3) 플로피디스크

 - 산화철로 코팅된 평평하고 둥근 플라스틱으로 구성이 되어있음.

 - 크기 : 직경 8인치, 5.25인치, 3.5인치

 - 소형 컴퓨터에서 휴대용 저장 매체로 사용되었으나, 최근에는 USB 플래시 드라이브 등으로 대체되어 사용되지 않음.

 

(4) 하드디스크

 - 1개의 회전축에 자성체가 코팅된 여러 개의 금속 디스크를 결합하여 고속 회전

 - 액추에이터 암에 연결된 읽기, 쓰기 헤드가 각각의 기록면 위에서 이동하여 원하는 위치에서 읽기, 쓰기를 한다.

 - 구성품들을 밀봉함으로써 먼지나 이물질로 오염되지 않게 하여 디스크 기록면과 헤드를 가깝게 유지하고 고속으로 정밀하게 동작할 수 있게 함.

[1] 데이터 저장 구조

 - 디스크 표면에는 여러 개의 원형 트랙이 배열되어 있음.

 - 각각의 트랙은 정해진 양의 데이터를 저장하는 구획인 섹터로 나뉨

 - 동일 반경에 위치한 트랙의 집합을 실린더라고 함.

[2] 하드디스크의 성능

 - 탐색시간 : 헤드가 지정된 트랙으로 이동하는 시간 (수ms)

 - 회전지연시간 : 디스크가 회전하여 데이터 위치가 헤드에 도달하는 시간으로, 디스크의 회적 속도에 따라 결정됨.

   - 디스크의 회전 속도 : 4,200 ~ 15,000 RPM

   - 평균 회전지연시간 = 7.1 ~ 2 ms

 - 전송시간 : 주기억장치와 하드디스크 사이에 데이터를 전송하는 데 소비되는 시간

 

(5) 고성능 디스크의 구성

[1] 디스크 어레이(배열)

 - 여러 개의 하드디스크에 데이터를 분산하여 저장함

 - 목적 : 데이터 저장의 신뢰성을 높임 / 접근 성능 향상

 - RAID(Redundant Array of Inexpnsive Disks)

 - 같은 데이터를 나눠서 저장하는 형식 , 데이터를 검증하기 위한 데이터 저장

 

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4. 광 디스크

 - 레이저를 이용하여 기록면에서 데이터를 읽음

 - 한 장의 마스터로부터 대용량 데이터를 인쇄하듯 찍어내어 대량생산이 가능함

 - 음악, 영화, 프로그램 설치 디스크 등을 저렴한 비용으로 제작하여 배포할 수 있음.

 - 보통 CD가 예시이다.

 

(1) 기록 방법에 따른 분류

ROM - Read Only Memory : 읽기 전용이며, 이미 박힌 데이터를 읽는 것만 가능함.

WORM - Write Once Read Many : 비어진 디스크에 한 번만 기록이 가능함.

RW - ReWritable : 디스크에 반복적으로 쓰고 지울 수 있음 대신 정해진 횟수만큼만 재 기록이 가능함.

 

(2) CD(Compact Disc)

 - 오디오 용으로 개발된 매체이나, 이후 데이터 저장용으로도 활용됨

 - 직경 120mm의 표준 CD는 74분의 스테레오 음악을 저장할 수 있도록 개발이 되었음. ( 데이터 용량 : 650MB ~ 700MB )

 - CD-ROM , CD-R(WORM), CD-RW

 

(3) DVD(Digital Versatile Disc)

 - 고화질 영화를 저장하기 위한 기록 매체로 개발됨

 - 해상도 720 x 480, 5.1채널 돌비 AC3 입체 음향, 다국어 음성 및 자막 등 다양한 기능 제공

 - CD에 비해 파장이 짧은 적색 레이저를 사용하여 기록 용량을 높임

 - 저장 용량 : 4.7GB(싱글 레이어), 8.5GB(듀얼 레이어)

(4) Blu-ray disc

 - 고선명(HD) 비디오를 저장하기 위한 디지털 기록 매체

 - HD 화질의 2시간 분량 비디오를 저장할 수 있음

 - DBD에 비해 파장이 더욱 짧은 청색 반도체 레이저를 사용하여 DVD보다 큰 저장 용량 제공

 - 저장 용량 : 25GB(싱글 레이어) , 50GB(듀얼 레이어) 100GB, 128GB(BDXL)

 

(5) CLV(Constant Linear Velocity) 형식

 - 광디스크에서 주로 사용되는 방식으로, 일정한 선속도로 회전하여 기록 밀도 및 전송 속도를 일정하게 유지함.

 - 디스크의 중앙에서 바깥쪽으로 향하는 하나의 나선형 트랙 ( 트랙이 처음부터 끝까지 이어져있음 )

 - CAV 방식에 비해 직접접근 속도가 느림.

 - 직접접근은 가능하지만, 애초에 만들어진 이유가 매체를 보기 위함. 즉, 순차접근 방식이 권장이 되도록 만들어짐.

 

(6) CAV(Constant Angular Velocity) 형식

 - 자기디스크에서 주로 사용되는 방식으로, 일정한 각속도로 회전함

 - 직접접근을 빠르게 할 수 있는 방식임

 - 일반 데이터 저장용으로 사용하는 경우를 위해 광디스크 드라이브에서 지원하기도 함.

 

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5. 반도체 기억장치

(1) USB 플래시 드라이브

 - 플래시 메모리 + USB

 - 플래시 메모리 : 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 반도체 메모리

 - USB(Universal Serial Bus) : 컴퓨터와 주변기기 사이의 데이터 교환 버스 규격

 - USB 2.0(최대 480Mbps), USB 3.2(최대 20Gbps)

 - 컴퓨터가 켜진 상태에서 자유롭게 연결과 분리가 가능함

 - 크기가 작고 가벼워 휴대용 저장장치로 적합함.

 

(2) USB 플래시 드라이브 데이터 저장 방식

 - Multi Level Cell(MLC) : DLC(0과 1 2개의비트) , TLC(3개의 비트 저장), QLC(4개의 비트 저장) 다양함.

 

(3) SSD(Solid-State Drive)

 - 자기디스크와 동일한 인터페이스를 가지나, 디스크 대신 반도체 메모리를 사용하여 데이터를 저장함.

 - 플래시 메모리를 이용하는 방식과 DRAM과 배터리를 사용하는 방식이 있음.

 - 주로 플래시 메모리를 사용함.

 - 플래시 메모리 : 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 반도체 메모리

[1] 자기디스크와 비교한 장점

 - 움직이는 기계 부품(팬, 트랙, 액추에어티 암 등)이 없기 때문에 내구성이 강하고 전력 소모가 적음

 - 기계적인 움직임이 없으므로 데이터를 읽는 시간이 매우 빠름

 - 무게가 가벼움

[2] 자기디스크와 비교한 단점

 - 기록과 삭제 횟수가 한정되어 수명이 짧음

 - 데이터 기록시 먼저 블록 삭제를 한 후 쓰기를 수행해야 하므로 읽기와 쓰기의 속도가 비대칭이다.

 - 가격이 비쌈

 

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6. 클라우드 저장장치의 활용

(1) 클라우드 컴퓨팅(cloud computing)

 - 인터넷을 기반으로 하여 컴퓨터의 계산능력, 저장공간, 서비스 등 다양한 컴퓨터의 자원을 언제 어디서나 필요한 만큼 이용하고 비용을 지불하는 컴퓨팅 방식

 - 쉽게 말해, 서버 컴퓨터를 인터넷을 통해 빌리는 구조이다.

 

(2) 클라우드 저장장치(cloud storage)

 - 서비스를 제공하는 사업자는 다수의 분산된 저장장치로 거대한 저장공간을 구성

 - 사용자(기업이나 기관, 개인 등)는 서비스를 제공자와의 계약을 통해 사용량에 따른 비용을 지불하고 사용

 

(1) 파일 호스팅 서비스(file hosting service)란?

 - 사용자에게 파일 저장 공간을 제공하는 인터넷 호스팅 서비스

 - Google Drive, Microsoft OneDrive, DropBox, Apple iCould Drive, Naver MyBox 등

- 클라우드 저장장치의 개념을 이용해, 서비스를 만들어서 제공을 해주는 것이다.

 

(2) 파일 호스팅 서비스의 활용

 - 개인 파일 저장 서비스

 - 파일 동기화 및 공유 서비스

 

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(7) 주요용어

1. 기억장치 계층구조 : 컴퓨터 시스템의 성능과 비용, 저장 용량의 균형을 맞추기 위해 컴퓨터의 기억장치를 소량의 고비용 고속 기억장치로부터 대량의 저비용 저속 기억장치에 이르는 여러 층으로 구성하는 계층적 구조를 나타낸다.
2. 순차접근 기억장치 : 물리적 순서에 따라 데이터를 저장하고, 동일한 순서에 따라 순서대로 데이터를 읽을 수 있는 장치로, 자기테이프장치가 이에 해당된다.
3. 직접접근 기억장치 : 데이터의 위치를 지정하여 데이터를 저장하거나 읽어 낼 수 있는 저장장치
4. 테이프 라이브러리 : 한 개 이상의 테이프 드라이브와 여러 개의 테이프 카트리지를 보관할 수 있는 슬롯, 테이프를 식별하기 위한 바코드 입력기, 테이프를 자동으로 드라이브에 장착하기 위한 로봇 등으로 구성된 대용량 저장장치
5. 디스크 어레이 : 여러 개의 하드디스크에 데이터를 분산하여 저장함으로써 데이터 저장 성능을 높이거나 저장장치의 신뢰성을 높이기 위한 디스크 저장장치 구성 형태
6. RAID : 신뢰성 및 성능을 높일 수 있도록 정의된 다양한 레벨의 구성을 활용할 수 있는 디스크 어레이 기술
7. 탐색시간(seek time) : 자기디스크 장치에서 헤드가 지정된 트랙으로 이동하는 데 소비되는 시간
8. 회전지연시간 : 디스크가 회전하여 데이터 위치가 헤드에 도달하는 시간
9. 광디스크 : 빛의 반사의 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 디스크
10. 플래시 메모리 : 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 반도체 메모리의 일종
11. USB : 컴퓨터와 주변장치 사이의 데이터 교환을 하기 위한 직렬 입출력 표준의 일종
12. SSD : 자기디스크와 동일한 인터페이스를 가지나, 디스크 대신 반도체 메모리를 사용하여 데이터를 저장하는 저장장치
13. 클라우드 컴퓨팅(cloud computing) : 인터넷을 기반으로 하여 컴퓨터의 계산능력, 저장공간, 서비스 등 다양한 컴퓨터의 자원을 언제 어디서나 필요한 만큼 이용하고 비용을 지불하는 컴퓨팅 방식
14. 파일 호스팅 서비스(file hosting service) : 사용자에게 파일 저장 공간을 제공하는 인터넷 호스팅 서비스