10주차

[stemmmm]

• 페이징

[jihojivenchy]

가상 메모리의 개념

• 메모리 공간을 효율적으로 관리하기 위해 운영체제가 제공하는 추상화된 메모리 공간

설명

• 실제 프로세스가 실행될 때, 프로세스의 모든 메모리가 사용되는 것이 아님.
• 즉, 사용되는 부분과 사용되지 않는 부분이 있음
• 만약 프로세스의 모든 메모리를 RAM에 적재하게 되면, 사용되지 않는 부분까지 적재하기 때문에 RAM의 메모리를 효율적으로 사용하지 못하게 된다.
• 그래서 사용하지 않는 메모리를 하드 디스크(보조 기억장치)의 스왑 영역에서 관리하게 하여, RAM의 실제 메모리보다 더 많은 사용량을 쓸 수 있게 하는 것이 가상 메모리 기법임

가상 주소와 물리 주소의 차이

• 가상 주소는 운영체제가 프로세스마다 독립적인 메모리 공간을 제공하기 위해 사용하는 논리적 주소이며, 물리 주소는 실제 메모리 하드웨어의 위치입니다.

가상 주소

• 운영체제는 각 프로세스에 별도의 가상 메모리 공간을 할당하며, 이 가상 메모리는 실제로 존재하지 않는 논리적 메모리입니다.
• 사용하지 않는 메모리를 디스크에 저장함으로써, 실제 물리 메모리가 부족한 경우에도 더 많은 메모리 공간을 사용하는 효과를 가져옵니다.

물리 주소

• 실제 RAM 내의 데이터 위치를 나타내는 주소입니다.
• CPU는 운영체제의 MMU를 통해 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하여 접근합니다.

가상 메모리를 통해 프로세스가 물리적 메모리보다 큰 주소 공간을 사용할 수 있는 이유는 무엇인가요?

• 사용하지 않는 프로세스의 일부를 디스크의 스왑 공간에 저장할 수 있기 때문입니다.

페이징

• 프로세스를 일정 크기로 자르고, 이를 메모리에 불연속적으로 할당하는 가상 메모리 관리 기법입니다.
• 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정 단위로 자르고,
• 메모리의 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 일정 단위로 자른 뒤
• 페이지를 프레임에 할당

가상 메모리와 페이징의 관계를 설명하세요.

• 가상 메모리는 실제 물리 메모리가 부족한 경우에도 더 많은 메모리 공간을 사용할 수 있도록 한다고 했는데, 이걸 가능하게 도와주는 것이 페이징 기법입니다.
• 프로세스를 일정한 단위로 페이징하고, 이 중에서 필요하지 않은 페이지들은 디스크에 저장합니다.
• 이후, 필요한 페이지는 스왑인하여 사용할 수 있습니다.
• 따라서 페이징은 가상 메모리와 조력자 관계라고 할 수 있습니다.

페이징이 외부 단편화 문제를 해결하는 방식을 설명하세요.

• 외부 단편화 문제는 메모리의 빈 공간이 여러 부분으로 나뉘어 있어, 충분한 총 메모리가 남아있음에도 불구하고 연속된 큰 메모리 공간을 할당할 수 없는 상태를 말합니다.
• 페이징은 프로세스를 일정한 크기의 페이지로 나누고, 물리 메모리의 프레임도 같은 페이지 크기로 나눕니다.
• 그리고 페이지를 프레임에 불연속적으로 할당합니다.
• 프로세스의 페이지와 물리 메모리의 프레임 크기가 동일하기 때문에 외부단편화 문제를 해결할 수 있습니다.

내부 단편화의 개념에 대해 설명하세요.

• 페이징은 프로세스를 고정된 크기의 단위로 나눕니다.
• 그럼 프로세스를 항상 일정한 크기로 나눌 수 있을까요?
• 일정한 크기로 프로세스를 나눈 후에 마지막 페이지에서 공간이 남아 있을 수 있습니다.
• 이런 공간들은 결국 사용되지 않는 낭비이고, 이를 내부 단편화라고 합니다.

예시

• 예를 들어, 페이지 크기는 2이고, 프로세스는 9의 메모리를 요청했다고 가정했을 때, 운영체제는 총 5개의 페이지 10을 할당합니다.
• 이 때, 나머지 1 크기의 공간은 사용되지 않는 상태로 남게 됩니다.
• 내부 단편화는 프로세스의 메모리를 해제하지 않는 한 외부에서 낭비된 공간을 활용할 수 없습니다.

내부 단편화를 최소화하는 방법?

• 페이지의 크기를 적절하게 설정하는 것이 핵심입니다.

[가변 크기 메모리 블록 할당]

• 고정된 크기의 블록 대신, 프로세스가 필요로 하는 크기에 따라 다양한 크기의 블록을 동적으로 할당합니다.
• 장점은 내부 단편화를 최소화할 수 있습니다.
• 단점은 페이지 관리가 복잡해집니다.

페이지 크기에 따른 trade-off에 대해 설명하세요.

작은 페이지 크기

• 장점
  • 페이지의 크기가 작으면, 프로세스의 크기와 페이지 크기 사이의 불일치가 최소화되며, 내부 단편화의 크기가 감소하게 됩니다.
  • 즉, 메모리의 효율성이 향상됩니다.
• 단점
  • 페이지 크기가 작아지면, 페이지의 총 개수가 많아집니다.
  • 따라서 페이지를 관리하는 페이지 테이블의 크기가 증가합니다.
  • 디스크에 메모리를 저장하고, 메모리를 불러오는 작업은 상대적으로 느립니다.
  • 작은 페이지일수록 디스크에서의 스왑 작업이 빈번하게 이루어질 수 있습니다.

큰 페이지 크기

• 장점

  • 페이지 크기가 크면, 페이지의 총 개수가 줄어듭니다.
  • 따라서 페이지 테이블의 크기도 작아집니다.

• 단점

  • 내부 단편화가 증가하며, 메모리 효율성이 저하됩니다.

결국 페이지 크기는 관리의 복잡성 및 오버헤드와 메모리의 효율성 사이에서의 적절한 합의점을 찾아야 합니다.

페이징의 주소 변환 과정

• 주소 변환은 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하는 과정입니다.
• 이 변환은 페이지 테이블을 통해 이루어집니다.
• 우리는 특정 주소에 접근하기 위해서는 다음과 같은 정보가 필요합니다.
  • 어떤 페이지/프레임에 접근하고 싶은지?
  • 접근하려는 주소가 그 페이지 혹은 프레임으로부터 얼마나 떨어져 있는지?
• 따라서 페이징 시스템에서 논리 주소는 페이지의 번호와 Offset(변위값)으로 구성되어 있습니다.

과정

1. 페이지 테이블 조회
   1. CPU가 특정 주소에 접근하려고 할 때, 가상 주소의 페이지 번호를 통해 페이지 테이블에서 조회합니다.
   2. 이 때, 페이지 번호와 프레임 번호를 매핑하기 때문에 실제 페이지가 할당된 프레임 번호를 알 수 있습니다.
2. 물리 주소 생성
   1. 페이지 테이블에서 얻은 프레임 번호와 offset을 통해 최종 물리 주소를 생성합니다.
3. 접근
   1. 최종 물리 주소를 통해 실제 위치로 접근합니다.

페이지 테이블과 페이지 테이블 엔트리에 대해 설명하세요.

페이지 테이블

• 프로세스의 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 매핑하는 구조입니다.
• 각 프로세스는 독립적인 페이지 테이블을 가지고 있습니다.
• 페이지 테이블을 통해 가상 메모리의 페이지 번호를 물리 메모리의 프레임 번호와 연결하여 프로세스가 자신의 가상 메모리 주소를 이용해 실제 메모리에 접근할 수 있도록 합니다.

왜 필요한 것인지?

• 프로세스가 연속적으로 저장되어 있다면, CPU는 다음에 실행할 명령어 위치를 찾기 쉬움.
• 하지만 페이징으로 인해 분산된 프로세스는 어느 프레임에 적재되어 있는지 CPU가 알기 어려움.
• 이 때, 프로세스의 각 페이지가 물리 메모리의 어느 프레임에 매핑되는지 정보를 저장하는 것이 페이지 테이블임
• 페이지 테이블은 실제 물리 주소에서는 불연속적으로 할당이 되더라도, CPU에서는 연속적으로 배치되는 것처럼 보이도록 도와줌

페이지 테이블 엔트리(Page Table Entry, PTE)

• 주소 변환 과정에서 페이지 테이블에 페이지 번호와 변위값이 존재한다고 언급했습니다.
• 이 정보들이 페이지 테이블 엔트리이며, 페이지 테이블은 페이지 번호, 변위값 이외에도 여러 개의 페이지 테이블 엔트리로 구성되어 있습니다.

페이지 테이블 엔트리의 정보들

[유효 비트]

• 현재 해당 페이지에 접근이 가능한지 여부를 나타내는 비트입니다.
• 유효 비트가 1이라면 페이지가 현재 물리 메모리에 존재하는 것이고,
• 유효 비트가 0이라면 페이지가 디스크에 저장되어 있는 것입니다.
• 유효 비트가 0인 페이지에 접근한다면? → Page Fault라는 인터럽트가 발생합니다.
  1. CPU는 기존의 작업 내역을 백업합니다.
  2. 필요한 페이지를 스왑-인 하고, 유효 비트를 1로 변경합니다. (Page Fault 처리 루틴)
  3. 이제 해당 페이지에 접근할 수 있습니다.

[권한 비트] (보호 비트)

• 페이지에 대한 접근 권한을 설정하는 비트로 읽기, 쓰기에 대한 권한을 제어합니다.
• 읽기 전용 페이지에 쓰기 작업을 시도하지 못하도록 합니다.

[참조 비트]

• 페이지가 참조되었는지 여부를 기록하는 비트입니다.

[수정 비트]

• 페이지의 데이터가 변경되었는지 여부를 기록하는 비트입니다.
• 메모리와 디스크간의 데이터 일관성을 유지하기 위해 사용됩니다.
• 메모리에서 쓰기 작업이 이루어져 수정이 일어났다면, 수정된 정보를 디스크에도 반영을 해야 합니다.
• 따라서 수정 비트가 1일 경우에는 디스크에도 쓰기 작업을 하고,
• 수정 비트가 0일 경우에는 디스크에 쓰기 작업을 하지 않습니다.

PTBR, MMU, TLB의 역할과 필요성에 대해 설명하세요.

PTBR(Page Table Base Register)

• 현재 실행 중인 프로세스의 페이지 테이블 시작 주소를 저장하는 레지스터
• 각 프로세스 페이지 테이블이 적재되어있는 주소를 나타냄

PTBR의 역할

• 페이지 테이블 위치 제공: 현재 실행 중인 프로세스의 페이지 테이블이 메모리의 어디에 위치하는지 알려줍니다.

PTBR의 필요성

1. 주소 변환 속도 향상

   • CPU는 페이지 테이블의 위치를 찾기 위해 복잡한 탐색을 해야 할 수 있습니다.
   • PTBR을 통해 페이지 테이블의 위치를 빠르게 참조할 수 있어 주소 변환 속도가 향상될 수 있습니다.

2. 효율적인 컨텍스트 스위칭

   • 프로세스 전환 시, PTBR을 새로운 프로세스의 페이지 테이블 시작 주소로 변경하면 되기 때문에 컨텍스트 스위칭이 간단해집니다.

MMU(Memory Management Unit)

• 가상 주소를 물리 주소로 변환하고, 메모리 접근을 관리하는 하드웨어 장치입니다.
• CPU와 메모리 사이에서 동작하며, 가상 메모리 관리, 주소 변환 등의 기능을 수행합니다.

MMU의 역할

• 주소 변환 (Address Translation)

  • 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 역할을 수행합니다.
  • 이 변환 작업을 효율적으로 처리하기 위해 PTBR을 참조하여 페이지 테이블의 위치를 확인하고, 페이지 번호와 프레임 번호를 매핑합니다.
  • 또한 TLB를 통해 자주 사용되는 주소 정보를 캐싱하여 접근 속도를 높입니다.

• 메모리 보호

  • 각 프로세스가 자신에게 할당된 메모리 영역에만 접근하도록 메모리 보호를 제공합니다.
  • 메모리에 접근하기 전에, 접근하려는 주소가 유효한지, 접근 권한이 있는지를 확인합니다.
  • 이를 통해 프로세스 간의 메모리 침범을 방지하여 시스템 안정성을 보장합니다.

• 가상 메모리 관리

  • 페이지 폴트가 발생했을 때, 필요한 페이지를 디스크에서 물리 메모리로 스왑-인하고, 페이지 테이블을 업데이트합니다.

MMU의 필요성

• 메모리 보호와 안정성 강화
  • 프로세스가 자신에게 할당된 메모리 영역에만 접근하게 하는 메모리 보호 기능을 제공합니다.
  • 이를 통해 프로그램의 오류로 인해 발생할 수 있는 메모리 침범을 방지하고, 시스템의 안정성을 높입니다.
• 가상 메모리 지원으로 메모리 효율성 향상
  • 가상 메모리를 통해 물리 메모리가 부족해도 프로세스가 실제 물리 메모리 공간보다 더 크더라도 실행될 수 있도록 합니다.

TLB(Translation Lookaside Buffer)

• 페이지 조회를 빠르게하기 위해 자주 사용되는 페이지 번호와 프레임 번호의 매핑 정보를 캐싱하는 메모리입니다.
• TLB는 MMU 내에 존재합니다.

TLB의 역할

• 빠른 주소 변환

  • CPU가 가상 메모리에 접근할 때, TLB에 해당 페이지의 매핑 정보가 있는지 먼저 확인합니다.
  • TLB에 원하는 매핑 정보가 있으면 페이지 테이블을 조회할 필요 없이 빠르게 주소 변환을 수행할 수 있어 전체 메모리 접근 시간이 크게 단축됩니다.
  • 이러한 과정을 TLB 히트라고 합니다.

• 페이지 테이블 접근 감소

  • 페이지 테이블이 메모리에 저장되어 있으면, 메모리 접근 시간이 두 배로 걸립니다.
    • 페이지 테이블을 참조하기 위해 한 번
    • 페이지를 참조하기 위해 한 번이 걸립니다.
  • 하지만 TLB에 페이지가 저장되어 있다면, 페이지 테이블에 대한 접근을 줄일 수 있습니다.
  • 만약 TLB 미스가 발생하면, CPU는 페이지 테이블을 조회하여 필요한 정보를 찾고, 해당 정보를 TLB에 캐싱합니다.