8장 가상 메모리의 기초

가상 메모리의 개요

가상 메모리 시스템

• 가상 메모리
  • 물리 메모리 크기와 상관없이 프로세스에 커다란 메모리 공간을 제공하는 기술
  • 가상 메모리를 이용하면 프로세스는 운영체제가 어디에 있는지, 물리 메모리의 크기가 어느 정도인지 신경 쓰지 않고 메모리를 마음대로 사용할 수 있음
• 가상 메모리의 크기와 주소
  • 프로세스가 바라보는 메모리 영역과 메모리 관리자가 바라보는 메모리 영역으로 나뉨
  • 가상 메모리에서 메모리 관리자는 물리 메모리의 부족한 부분을 스왑 영역으로 보충

• 가상 메모리의 크기
  • 가상 메모리에서 메모리 관리자가 사용할 수 있는 메모리의 전체 크기는 물리 메모리(실 메모리)와 스왑 영역을 합한 크기다.
• 동적 주소 변환(DAT; Dynamic Address Translation)
  • 가상 주소를 실제 메모리의 물리 주소로 변환
  • 동적 주소 변환을 거치면 프로세스가 아무 제약 없이 사용자의 데이터를 물리 메모리에 배치할 수 있음

 

매핑 테이블의 필요성과 역할

• 메모리 매핑 테이블
  • 가상 메모리 시스템에서 메모리 관리자는 가상 주소와 물리 주소를 일대일 매핑 테이블로 관리

• 메모리 매핑 테이블
  • 가상 메모리 시스템에서 가변 분할 방식을 이용한 메모리 관리 기법은 세그먼테이션, 고정 분할 방식을 이용한 메모리 관리 기법은 페이징
  • 페이징 기법에서 사용하는 매핑 테이블을 페이지 매핑 테이블(page mapping table) 또는 페이지 테이블
  • 세그먼테이션 기법에서 사용하는 매핑 테이블을 세그먼테이션 매핑 테이블(segmentation mapping table) 또는 세그먼테이션 테이블
• 지역성 (locality)
  • 기억장치에 접근하는 패턴이 메모리의 특정 영역에 집중되는 성질
  • 국부성 또는 집약성
  • 공간의 지역성, 시간의 지역성, 순차적 지역성으로 나눔
  • 공간의 지역성(spatial locality): 현재 위치에서 가까운 데이터에 접근할 확률이 먼 거리에 있는 데이터에 접근할 확률보다 높음을 의미
  • 시간의 지역성(temporal locality): 현재를 기준으로 가장 가까운 시간에 접근한 데이터가 더 먼 시간에 접근한 데이터보다 사용될 확률이 높음을 의미
  • 순차적 지역성(sequential locality): 작업이 순서대로 진행되는 것을 의미

• 지역성의 예
  • 캐시: 지역성 이론을 사용하는 대표적인 장치
  • 페이지 교체 알고리즘(page replacement algorithm)

페이징 기법

페이징 기법의 구현

• 페이징 기법
  • 고정 분할 방식을 이용한 가상 메모리 관리 기법
  • 물리 주소 공간을 같은 크기로 나누어 사용
  • 가상 주소는 프로세스 입장에서 바라본 메모리 공간으로 항상 0번지부터 시작
  • 페이지(page)와 프레임(frame)
    • 가상 주소의 분할된 각 영역을 페이지라고 하며 번호를 매겨 관리
    • 물리 메모리의 각 영역은 가상 주소의 페이지와 구분하기 위해 프레임이라고 함(프레임도 페이지처럼 번호를 매겨 관리)
    • 페이지와 프레임의 크기는 같기 때문에 페이지는 어떤 프레임에도 배치될 수 있음
    • 어떤 페이지가 어떤 프레임에 있는지에 대한 연결(매핑) 정보는 페이지 테이블에 담겨 있음
    • 페이지 테이블에 invalid는 해당 페이지가 스왑 영역에 있다는 의미

페이징 기법의 주소 변환

• 정형화된 주소 변환
  • 페이징 기법에서는 가상 주소를 VA=<P, D>로 표현
    • VA : 가상 주소(virtual address)
    • P : 페이지(page)
    • D : 페이지의 처음 위치에서 해당 주소까지의 거리(distance)
  • 페이징 기법에서의 주소 변환은 가상 주소 VA=<P, D>를 물리 주소 PA=<F, D>로 변환하는 것
    • PA : 물리 메모리의 주소를 가리키는 용어로 물리 주소 또는 실제 주소
    • F : 프레임(frame)
    • D : 프레임의 처음 위치에서 해당 주소까지의 거리(distance)
• 페이징 기법의 주소 변환 과정
  • VA=<P, D> → PA=<F, D>
  • 페이지 테이블을 사용하여 P는 F로 바꾸고 D는 변경 없이 그대로 씀
  • D를 변경하지 않는 이유는 페이지와 프레임의 크기를 똑같이 나누었기 때문
• 페이지의 크기가 다양할 경우 가상 주소를 <P, D>로 변환하는 공식
  • 한 페이지의 크기가 10B인 가상 메모리 시스템에서 가상 주소 32번지
    • P=3(32/10의 몫)
    • D=2(32/10의 나머지)
  • 한 페이지의 크기가 512B인 시스템에서 가상 주소 2049번지
    • P=4(2049/512의 몫)
    • D=1(2049/512의 나머지)

• 16bit CPU의 컴퓨터에서 한 페이지의 크기가 2¹⁰B(D)일 때 페이징 시스템
  • 한 프로세스가 사용할 수 있는 가상 메모리의 크기는 2¹⁶(65,536)B
  • 사용자는 0번지부터 65535(2¹⁶-1)번까지 가상 주소 공간을 사용 가능
  • 가상 주소로 사용할 수 있는 16bit 중 6bit는 페이지 번호로,(P) 10bit는 페이지의 처음 위치에(D)서 해당 주소까지의 거리
• 16bit CPU의 컴퓨터에서 한 페이지의 크기가 2¹⁰B일 때 페이징 시스템
  • 전체 페이지의 수는 2^6, 즉 64개이고 페이지 0번부터 63번까지 존재
  • 물리 주소도 가상 주소와 같이 1,024B로 나뉨. 프레임은 0부터 31까지만 있음
  • 페이지 테이블 엔트리가 0~63으로 총 64개(페이지 테이블의 크기는 물리 주소의 크기가 아니라 프로세스의 크기에 비례)
• 프로세스가 980번지에 저장된 데이터를 요청했을 때 동적 주소 변환

• 가상 주소 980번지의 페이지 P, 거리 D를 구함
  • P=0(980/1024의 몫), D=980(980/1024의 나머지) → VA=<0, 980>
• 페이지 테이블로 가서 페이지 0이 프레임 2에 저장되어 있다는 것을 확인
• 물리 메모리의 프레임 2 시작 지점으로부터 980번지 떨어진 곳에 접근하여 데이터를 가져옴

페이지 테이블 관리

• 메모리 공유
  • 프로세스마다 페이지 테이블 존재함. 프로세스 수가 많아지면 페이지 테이블 크기가 커지고, 프로세스가 실제 사용할 수 있는 메모리 영역이 줄어듬
  • 페이지 테이블 크기를 적정하게 유지하는 것이 페이지 테이블 관리의 핵심
• 물리 메모리 내 페이지 테이블의 구조
  • 각 페이지 테이블의 시작 주소는 페이지 테이블 기준 레지스터(PTBR; Page Table Base Register)에 보관
  • 물리 메모리의 크기가 작을 때는 페이지 테이블의 일부도 스왑 영역으로 옮겨짐

• 쓰기 시점 복사
  • 프로세스들이 메모리에 있는 페이지를 공유하는 방식: 프레임을 공유해 메모리 절약
  • 데이터 변화가 있을 때까지 복사를 미루는 방식을 쓰기 시점 복사(copy on write)

• 변환 색인 버퍼
  • 가상 주소를 물리 주소로 변환하려면 메모리에 두 번 접근해야 함
• 변환 색인 버퍼를 이용한 물리 메모리 접근 방식
  • 원하는 페이지 번호가 변환 색인 버퍼에 있으면 TLB 히트(TLB hit), 곧바로 물리 주소로 변환
  • 원하는 페이지 번호가 없으면 TLB 미스(TLB miss), 메모리에 있는 페이지 테이블을 사용해 프레임 번호로 변환
• 역 페이지 테이블
  • 역 페이지 테이블(invert page table) 방식은 기존 페이징 방식과 반대로 페이지 테이블 구성
  • 물리 메모리의 프레임 번호를 기준으로 테이블 구성
  • 물리 메모리의 프레임에 어떤 프로세스의 어떤 페이지가 올라와 있는지 표시
  • 프로세스 수와 상관없이 테이블이 하나만 존재하는 것이 특징
  • 테이블 크기가 작은 것이 장점

 

세그먼테이션 기법

• 세그먼테이션 테이블(segmentation table) (가변 분할 방식!!)
  • 세그먼트의 크기를 나타내는 limit와 물리 메모리상의 시작 주소를 나타내는 address가 있음
  • 각 세그먼트가 자신에게 주어진 메모리 영역을 넘어가면 안 되기 때문에 세그먼트의 크기 정보에는 크기를 뜻하는 size 대신 제한을 뜻하는 limit를 사용
  • 세그먼테이션 기법에서도 물리 메모리가 부족할 때 스왑 영역을 사용
  • 크기가 100B인 프로세스 D(세그먼트 3)가 스왑 영역에 있고, 세그먼테이션 테이블의 address에 I(invalid)라고 표시되어 있음