가상 메모리

1. 가상 메모리 시스템

필요한 이유

프로그래머가 시스템의 메모리 크기를 일일히 고려해 프로그래밍하기 쉽지 않음
물리 메모리의 크기와 상관없이 프로세스에 커다란 메모리 공간을 제공해줌
가상 메모리를 사용하면 프로세스는 운영체제가 어디에 있는지 물리 메모리의 크기가 어느 정도인지 신경쓰지 않고 메모리를 마음대로 사용 가능

가상 메모리의 구성

프로세스가 바라보는 메모리 영역
- 실제 물리 메모리가 어느 크기이던 간에 공간 할당 가능
- 게다가 그 공간은 연속적임
메모리 관리자가 바라보는 메모리 영역
- 실제 물리 메모리는 가상 메모리보다 작을 수 있음
- 물리 메모리의 부족한 부분은 스왑 영역으로 보충
- 가상 메모리에서 메모리 관리자가 사용할 수 있는 메모리의 전체 크기는 물리 메모리 + 스왑 영역
가상 메모리 주소와 물리 메모리 주소는 다르다
- 따라서 동적 주소 변환을 통해 가상 주소 → 실제 메모리 물리 주소로 변환 필요
- 동적 주소 변환을 거치면 프로세스가 아무 제약 없이 사용자 데이터를 물리 메모리에 배치할 수 있음

가상 메모리 분할 방식

가변 분할 방식을 이용한 세그먼테이션
- 외부 단편화 등의 문제가 있음
고정 분할 방식을 이용한 페이징 기법
- 기본적으로 페이징 기법을 사용하나 페이지 테이블 관리가 필요
가상 메모리 시스템에서는 두 기법의 단점을 보완한 세그먼테이션-페이징 혼용 기법 주로 사용

메모리 매핑 테이블

가상 메모리 시스템에서 메모리 관리자는 가상 주소와 물리 주소를 1대1 매핑 테이블로 관리

페이징 기법

고정 분할 방식을 이용한 가상 메모리 관리 기법
물리 주소 공간을 같은 크기로 나누어 사용
가상 주소는 항상 0번지부터 시작
페이지와 프레임
- 가상 주소와 물리 주소는 같은 크기로 나눠짐
- 가상주소의 각 분할된 영역을 페이지라고 부름
- 물리주소의 각 분할된 영역을 프레임이라고 부름
- 페이지와 프레임의 크기는 같기 때문에 페이지는 어떤 프레임에도 배치 가능
- 어떤 페이지가 어떤 프레임에 있는지에 대한 매핑 정보는 페이지 테이블에 담겨 있음
- 페이지 테이블에 invalid는 해당 페이지가 스왑 영역에 있다는 의미

페이징 기법의 주소 변환

가상 주소 18번지가 어느 페이지에 있는지 찾음
- 18번지는 페이지 1의 8번째 위치 (. = <1, 8>)
페이지 테이블의 페이지 1로 가서 해당 페이지가 프레임3에 있다는 것을 확인
프로세스가 저장하려는 값을 프레임 3의 8번 위치에 저장
- 즉, VA = <1,8> → PA = <3, 8>

VA = <P, D> 구하는 공식

한 페이지의 크기가 10B인 가상 메모리 시스템에서 가상 주소 32번지
- P=3 (/posts/가상-메모리/10의 몫)
- D=2 (/posts/가상-메모리/10의 나머지)
한 페이지의 크기가 512B인 시스템에서 가상 주소 2049번지
- P=4 (/posts/가상-메모리/512의 몫)
- D=1 (/posts/가상-메모리/512의 나머지)
- 다른방법 (실제 사용하는 방법)
  - 가상주소 2049 라고 가정했을 때, 2비트로 표현하면 1000 0000 0001
  - 한 페이지의 크기가 512라면, 2^9이므로 9bit. 즉, Offset의 비트 수는 9bit.
  - Offset의 비트수는 9bit로 되어있다. 즉 0 0000 0001 이 D가 된다
  - P는 자동적으로 100이 된다
  - 다시 10진수로 표현하면 P = 100 → 4, D = 1 → 1

16비트 CPU에서 한 페이지의 크기가 2^10(.)B일 때

주소공간은 16비트로 표시
위와같이 한 페이지의 크기가 2^10이므로, 10bit가 Offset으로 쓰이게 됨
한 프로세스가 사용할 수 있는 가상 메모리의 크기는 2^16(.,536)B
사용자는 0~65,535번지까지 가상 주소 공간 사용 가능
가상 주소로 사용할 수 있는 16bit 중 6bit는 페이지 번호로, 10bit는 Offset

전체 페이지의 수는 2^6, 즉 64개이고 페이지 0번~63번까지 존재
물리 주소도 가상 주소와 같이 2^10B로 나뉨, 프레임은 0부터 31까지만 있다고 가정
페이지 테이블은 엔트리가 0~63으로 총 64개. 보통 가상 주소의 페이지 수를 따름.

프로세스가 980번지에 저장된 데이터를 요청할 때

나누기 이용

가상 주소 980번지의 페이지 P, 거리 D를 구함
- P=0 (/posts/가상-메모리/1024의 몫)
- D=980 (/posts/가상-메모리/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
- 2048+980 = 3028번지

2진수 이용

이진수를 사용하는 것이 더 직관적
가상주소 980번지: 0000 0011 1101 0100
- <P,D> = <000000, 1111010100>
2번 프레임: 00010
- <F,D> = <00010, 1111010100>
- 3028번지

다수의 프로세스가 있는 페이징 시스템

프로세스마다 페이지 테이블이 존재
- 프로세스의 수가 많아지면 페이지 테이블의 크기가 커짐
- 이에 따라 프로세스가 실제로 사용할 수 있는 메모리 영역이 줄어듬
페이지 테이블 크기를 적절히 유지하는 것이 핵심

물리 메모리 내 페이지 테이블의 구조

각 페이지 테이블의 시작 주소는 페이지 테이블 기준 레지스터에 보관
물리 메모리의 크기가 작을 때는 페이지 테이블의 일부도 스왑 영역으로 옮겨짐

페이지 테이블 매핑 방식

직접 매핑

페이지 테이블 전체가 물리 메모리에 올라옴
별다른 부가작업 없이 주소 변환이 가능
페이지 테이블의 시작 주소는 페이지 테이블 기준 레지스터가 가지고 있음
VA=<P,D> → PA=<F, D>

연관 매핑

테이블의 일부는 고속 TLB에 저장, 나머지는 물리메모리에 위치
- TLB : 변환 참조 버퍼
- 맵에 유지하는 페이지 테이블 엔트리들은 가장 최근 참조한 페이지들
- 쓴거는 다시 쓸 가능성이 높다는 추측에 근거 (지역성)
메모리에 접근하기 위해 먼저 TLB에 접근
- TLB 히트 : 원하는 페이지 번호가 있음. 곧바로 물리 주소로 변환
- TLB 미스 : 원하는 페이지 번호가 없음. 물리 메모리에 저장된 직접매핑테이블을 이용해 프레임 번호로 변환
TLB 미스가 빈번하게 일어날 경우 시스템의 성능 떨어짐

다수준 페이지 테이블 (계층적 페이징)

table 단편화 : 소수의 페이지 테이블 엔트리만 사용
디렉토리 매핑이라고도 부름
페이지 테이블을 같은 크기의 여러 묶음으로 나누고 각 묶음의 시작 주소를 가진 디렉터리 테이블을 하나 더 생성해 관리
전체 페이지 테이블은 스왑 영역에 있으며 일부 테이블만 묶음 단위로 메모리로 옮김
해당 묶음이 현재 메모리에 있는지 스왑 영역에 있는지를 표시하는 디렉터리 메모리를 생성
디렉터리 테이블을 살펴보면 원하는 테이블 묶음이 어디있는지 파악 가능
- 전체를 찾아보지 않아도 해당 페이지가 프레임에 있는지 알 수 있다
계층을 만들어 구현
- 각 수준은 하위 수준 테이블을 가리키는 포인터를 저장
- 최하위 수준은 페이지-페이지 프레임 매핑을 담고 있는 테이블로 구성
페이지 테이블이 일정 크기의 묶음으로 나뉨
- 따라서 VA=<P, D>가 아닌 Va=<P1, P2, D>
  - P1 : 디렉터리 테이블에서 위치 정보
  - P2 : 묶음 내에서의 위치 정보
- 페이지 테이블을 10개씩 한 묶음으로 나눈 경우
  - 0~9번 테이블 : 0번 디렉토리
  - 10~19번 테이블: 1번 디렉토리
  - 가상 주소 32번지 : <0, 3, 2>
  - 가상 주소 127번지 : <1, 2, 7>
디렉터리 페이지 테이블의 시작 주소는 페이지 테이블 기준 레지스터가 가지고 있음
프로세스가 특정 주소를 요구하면 VA=<P1, P2, D>로 변환
- P1을 이용해 디렉터리 테이블에서 주소를 찾음
원하는 테이블이 물리 메모리에 있으면 묶음 테이블의 시작 주소가 명시되어 있음

역매핑

페이지의 번호를 기준으로 하던 다른 방식과 달리, 물리 메모리의 프레임 번호를 기준으로 테이블을 구성
테이블은 <프레임 번호, 프로세스 아이디, 페이지 번호>로 구성
프로세스 수와 상관없이 테이블이 하나만 존재하므로 테이블의 크기가 매우 작음
프로세스가 가상 메모리에 접근할 때 프로세스 아이디와 페이지 번호를 모두 찾아야 하는 단점이 있음

세그먼테이션 기법

세그먼테이션 테이블

세그먼트의 크기를 나타내는 limit와 물리 메모리상의 시작 주소를 나타내는 address가 있음
각 세그먼트가 자신에게 주어진 메모리 영역을 넘어가면 안됨
- 세그먼트의 크기 정보에는 크기를 뜻하는 size 대신 limit를 사용
세그먼테이션 기법에서도 스왑 영역 사용

프로세스 A의 32번지에 접근할 때 주소 변환 과정

가상 주소 VA = <0, 32>
세그먼테이션 테이블에서 세그먼트 0의 시작 주소를 알아냄 (.)
거기에 거리 32를 더하여 물리 주소 (.) 번지를 구함
- 이 때 메모리 관리자는 거리가 세그먼트의 크기보다 큰지 점검
- 만약 크다면 메모리 오류를 출력하고 해당 프로세스 강제종료
물리 주소 (.) 번지에 접근해 원하는 데이터를 읽거나 씀