[OS] Main Memory

▶ Main Memory

▷ 개요

• 프로세스는 실행 중인 프로그램을 말하는데, 여기서 “실행 중”이라는 말은 메인 메모리에 올라갔다는 뜻이다.

• 메모리 상단에는 OS(커널)가 존재하고 나머지 프로세스가 자신들의 메모리 공간을 사용하고 있다. 어떻게 서로의 메모리 공간을 침범하지 않고 보장해줄 수 있을까?

  • 독립적인 메모리 공간을 위해 base register(기준 레지스터), limit register (한계 레지스터) 가 필요하다!
  • CPU가 base보다 크고, base + limit보다 작은 범위 내의 주소에만 접근할 수 있도록 한다.
    • base register: 프로세스의 물리적 메모리의 시작 주소를 가지고 있다.
    • limit register: 현재 CPU에서 수행중인 프로세스의 논리적 주소의 최대값, 프로세스의 크기를 가지고 있다.

  

▷ 주소 바인딩

• 프로세스는 실행을 위해 메모리에 적재되면 프로세스를 위한 독자적인 주소공간이 생긴다. 이 주소를 논리적 주소라고 한다.
• 하지만 이 때 직접적인 주소 값을 받는 것이 아닌 논리적 주소를 할당 받게 되는데, 논리적 주소만으로는 실제 메모리의 주소를 알 수 없기 때문에 논리적 주소를 물리적(실제) 주소와 맵핑을 해주는 것을 메모리 주소 바인딩 이라고 한다.

왜 프로세스는 논리적 주소를 사용할까?

• 만약, 직접 주소를 각 프로세스에게 부여 하게 된다면 다른 프로세스가 점유하고 있는 메모리 공간에 접근했을 때 데이터가 훼손될 수도 있기 때문이다!

• 바인딩의 구분
  • 메모리 주소 바인딩의 종류는 실제 주소와 논리적 주소를 연결하는 타이밍 로 구분하여 “컴파일”, “로드”, “실행 시간” 총 3가지로 구분된다.
  • 현대 컴퓨터는 실행 타임 바인딩 방식을 사용한다.
    
• 실행 시간 바인딩 (Execution Time)
  • 프로그램이 실행 이후에도, 프로그램이 위치한 물리적 메모리상의 주소가 변경될 수 있는 바인딩 방식이다.
  • CPU가 주소를 참조할 때마다 해당 데이터가 물리적 메모리의 어느 위치에 존재하는지 주소 매핑 테이블을 이용해 주소 바인딩을 점검한다.
  • 실행 시간 바인딩을 사용하기 위해 base register, limit register를 포함한 MMU와 같은 하드웨어를 이용한다.
    • MMU는 좀 이따 살펴보자!

▷ 논리 주소 공간 vs 물리 주소 공간

• 논리 주소 (Logical address)
  • CPU에 의해 만들어지며 가상의 주소
  • CPU가 만드는 주소는 모두 논리 주소이다.
    
• 물리 주소 (Physical address)
  • 저장공간에 실제로 존재하는 물리적 주소

▷ MMU

• 개념
  • MMU(Memory Management Unit) : 실행 시간에 논리적 주소를 물리적 주소로 맵핑해주는 하드웨어
  • 사용자 프로그램은 논리적 주소만 다루므로 MMU가 논리 주소를 물리 주소로 매핑해준다.
  • 논리적 주소 + 베이스 레지스터를 함으로써 실제 주소를 찾아준다.

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▶ 메모리 배치 전략

▷ 단편화

• 외부 단편화
  • 프로그램 크기보다 분할된 메모리 크기가 작아 프로세스를 수용하지 못하고 계속 낭비되는 공간이 발생하는 현상
  • 가변 분할에서 발생한다. (너무 작은 hole들이 생김)
• 내부 단편화
  • 분할된 메모리 보다 프로그램의 크기가 작아 분할된 메모리 내에 낭비되는 공간이 발생하는 현상
  • 고정 분할에서 발생한다. (2002를 요구해야 하지만 분할 크기가 2000이라면 4000을 할당해야 함)

▷ 메모리 할당

• 불연속 할당
  • 프로그램을 구성하는 주소 공간을 같은 크기의 페이지로 잘게 쪼개서 페이지 단위로 메모리에 올리는 방식

• 연속 할당

  • 프로그램이 메모리에 올라갈 때 통째로 메모리에 올라가는 방식
  • 고정 분할 방식, 가변 분할 방식이 존재한다.
    

  • 고정 분할 방식

    • 메모리 공간을 미리 분할하고 이 공간에 프로세스를 할당하는 방식이다.
    • 내부 단편화가 발생할 수 있다.
    • 아래 그림은 분할 1 공간에 프로그램 A가 할당된 것을 볼 수 있고, 프로그램 B는 분할 2 공간에 크기 상 로드될 수 없어 좀 더 큰 공간인 분할 3에 할당된 상황이다.

    
    

  • 가변 분할 방식
    • 프로그램의 크기대로 메모리를 분할해서 할당하는 방식
    • 외부 단편화가 발생할 수 있다.
    • 아래 그림은 프로그램 B가 끝난 공간이 할당되야 할 프로그램 D의 크기보다 작아 C밑에 할당되어 프로그램 B가 끝난 공간이 외부 조각이 된 상황이다.

▷ Dynamic Storage-Allocation Problem

• hole
  • 가변 분할 방식을 사용하게 되면 프로그램이 실행되다가 종료가 되면 비어있는 메모리 공간인 hole이 생긴다.
    
• Dynamic Storage-Allocation Problem
  • 가변 분할 방식의 외부 단편화 문제를 해결하기 위한 메모리 배치 방식 문제
  • 즉, 가장 적절한 hole을 찾는 문제이다❗
    
  • First Fit (최초 배치)
    • 프로세스를 제일 먼저 발견한 hole에 배치
    • 빈 공간을 탐색하는 시간을 줄일 수 있지만 단편화 고려 x
      
  • Best Fit (최적 배치)
    • 메모리의 빈 공간을 모두 탐색한 후 프로세스의 크기보다 큰 hole 중 가장 작은 hole에 배치
    • 단편화의 크기를 줄일 수 있지만 탐색하는 시간이 필요하고, 아주 작은 hole들이 생겨 버려지는 단편화가 많아질 수 있다.
      
  • Worst Fit (최악 배치)
    • 가장 큰 hole에다가 프로세스를 배치
    • 탐색하는 시간이 필요하고, 당장에 큰 단편화를 발생시켜 효율이 좋지 않다.

▷ 외부 단편화 문제 해결

Compaction, Coalescing은 연속 분할 할당에서 사용되는 외부 단편화 문제 해결 방법이다. (참고만 하자!)

• Compaction (메모리 압축)
  • 불연속한 두 개 이상의 hole을 붙히는 것
  • 즉, 메모리에 존재하는 여러 흩어진 단편화 영역 혹은 빈 영역들을 한곳으로 모아 큰 덩어리 (block)를 만드는 것
  • 프로그램들의 재배치 필요
    
• Coalescing (메모리 통합)
  • 연속한 두 개 이상의 hole을 합치는 것
  • 즉, 인접한 단편화 영역 혹은 빈 영역들을 합침
  • 프로그램 재배치 필요 X

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▶ 페이징

페이징 개념은 왜 이렇게 어려울까….. os중에 제일 어려운 것 같다. 시험 끝나고 나중에 꼭 다시 공부하자…🥹

• 프로세스의 논리 주소의 메모리를 고정된 크기의 페이지(Page)라는 일정 단위로 자르고, 메모리의 논리 주소 공간을 프레임(frame)이라는 페이지와 동일 일정한 크기로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법을 말한다.

• 모든 프로세스를 일정 크기로 자르고, 이를 메모리에 불연속적으로 할당하여 외부단편화를 해결한다.

• page와 frame은 메모리를 일정한 크기의 공간으로 나누어 관리하는 단위이다.

  • page (p)
    • 논리 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
  • frame (f)
    • 물리 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
  • offset (d)
    • page나 frame을 동일한 크기로 자른 것(두 공간에서의 offset 크기는 동일)
      

  ➡️ frame크기 = page 크기

• 주소를 넘겨줄 때 페이지 번호 (p)와 오프셋 (d)만 넘겨주면 된다.
  • “p 페이지에 있는 d번째 메모리에 할당해 줘”
• 프로세스마다 페이지의 개수가 다르기 때문에 페이지 테이블을 통해 관리해 주어야 한다.

▷ 페이지 테이블

• 페이지 테이블을 통해 p와 f를 짝지어 주어 물리 주소(실제 메모리 주소)에 불연속적으로 배치되더라도 논리 주소(CPU가 바라보는 주소)에는 연속적으로 배치되도록 한다.
• CPU는 그저 논리 주소를 순차적으로 실행하면 된다.
• 즉, 페이지 테이블은 페이지 번호와 프레임 번호를 짝지어 주어 논리 주소 값이 물리 공간의 어느 위치에 놓아질지 결정해준다!
• 페이지 테이블은 프로세스마다 존재한다.

• 페이징 예시
  • n, m 값을 구해보자.
  • 논리 주소 공간의 크기가 2ᵐ이고 페이지 크기가 2ⁿ인 경우 페이지의 개수는 m−n, 오프셋 크기는 n이다.

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📎참조

• 성결대학교 강영명 교수님 운영체제 (2023)
• 『 Operating System Concept 10th 』
• 『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』
• https://velog.io/@adam2/OS%EA%B8%B0%EC%B4%88%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EA%B4%80%EB%A6%AC%EC%A3%BC%EC%86%8C-%EB%B0%94%EC%9D%B8%EB%94%A9
• https://kimbangg.tistory.com/312
• https://zangzangs.tistory.com/131
• https://bnzn2426.tistory.com/83
• https://medium.com/taekwon-v/os-메모리-관리-2-연속-불연속-메모리-할당-페이징-tlb-9c697cac6d3b
• https://m.blog.naver.com/qbxlvnf11/221367174686
• https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95