11. 가상메모리 (Virtual Memory System)

1. 개요

   실제 각 프로세스마다 충분한 메모리를 할당하기에는 메모리 크기가 한계가 있음

   • 예: 리눅스는 하나의 프로세스가 4GB임

   • 통상메모리는 8GB, 16GB

     폰노이만 구조 기반이므로 코드는 메모리에 반드시 있어야함.

     메모리와 process간의 dependency가 큰편

   • RAM을 관리하는 방법의 하나로 실제 메모리주소가 아닌 가상 메모리 주소를 주는방식

   • 가상메모리가 필요한 이유

     • 여러 프로세스 동시 실행 시스템

       1. 메모리 용량 부족이슈

       2. 프로세스 메모리 영역간에 침범이슈

   • 가상메모리: 메모리가 실제 메모리보다 많아보이게 하는 기술

     • 실제 사용하는 메모리는 작다는 점에 착안하여 고안된 기술

     • 프로세스간 공간 분리로, 프로세스 이슈가 전체 시스템에 영향을 주지 않음

   • 기본아이디어

     • 프로세스는 가상 주소를 사용하고, 실제 해당 주소에서 데이터를 읽고/쓸때만 물리주소로 바꿔주면 됨.

       • virtual address(가상주소): 프로세스가 참조하는주소

         • [0~4GB]

         • 이 중에 일부만 물리주소에 올라간다.

       • physical address(물리주소): 실제 메모리 주소

     • MMU(Memory Management Unit)

       • CPU에 코드 실행시 가상 주소 메모리 접근이 필요할때 해당 주소를 물리 주소값으로 변환해주는 하드웨어 장치.

       • (CPU에서 코드 실행시 가상주소 먼저 접근)

     • 가상메모리(Virtual Memory)와 MMU

       • CPU는 가상메모리를 다루고, 실제 해당주소 접근시 MMU하드웨어 장치를 통해서 물리메모리에 접근한다.

         • 하드웨어 장치를 이용해야 주소변환이 빠르게 때문에 별도장치(MMU)를 둠.

         • [CPU]=> virtual address => [MMU] => physical address => [Memory]

       • 프로세스 생성시, 페이지 테이블 정보 생성

         • PCB등에서 해당 페이지 테이블 접근 가능하고, 관련정보는 물리메모리에 적재

         • 프로세스 구동시, 해당 페이지 테이블 base주소가 별도 레지스터에 저장(CR3)

         • CPU가 가상 주소 접근시, MMU가 페이지 테이블 base주소를 접근해서, 물리 주소를 가져옴.

2. 가상메모리 메커니즘

   • 페이징시스템

     • 페이징(paging)개념

       • 크기가 동일한 페이지로 가상주소공간과 이에 매칭하는 물리주소공간 관리

       • 하드웨어 지원이 필요

         • Intel X 86 시스템(32bit)에서는 4KB, 2MB, 1GB 지원

       • 리눅스에서는 4KB로 paging

       • 페이지 번호를 기반으로 [가상주소:물리주소] 매핑정보를 기록하고 사용함.

     • 예

       • 프로세스(4GB)의 PCB에 Page Table 구조체를 가리키는 주소가 들어있음

       • Page Table에는 가상주소와 물리주소간 매핑정보가 있음.

     • 페이징 시스템 구조

       • page 또는 page frame: 고정된 크기의 block(4KB)

       • paging system

         • 가상주소 v = (p,d)

           • p: 가상메모리 페이지

           • d: p안에서 참조하는 위치(변위, offset)

       • 페이지크기가 4KB인 예

         • 가상주소의 0bit~ 11bit가 변위(d)를 나타내고

         • 12bit이상이 페이지 번호가 될수있음.

           참고: 프로세스가 4GB를 사용하는 이유: 32bit 시스템에서 2³²가 4GB

     • page table(페이지테이블)

       • 물리주소에 있는 페이지 번호와 해당 페이지의 첫 물리주소 정보를 매핑한 표.

       • physical address에 들어가져있는지 여부를 확인하는 정보도 가지고있음.

     • paging system 동작

       • 해당 프로세스에서 특정 가상 주소에 엑세스를 하려면

         • 해당 프로세스의 page table에 해당 가상주소가 포함된 page번호가 있는지 확인

         • page 번호가 있으면 이 page가 매핑된 첫 물리주소를 알아내고(p')

         • p'+d가 실제 물리주소가 됨.

     • 다중단계 페이징 시스템

       • 32bit 시스템에서 4KB 페이지를 위한 페이징시스템은

         • 하위 12bit 는 offset

         • 상위 20bit 가 페이징 번호, 즉 2의 20승개의 페이지 정보필요

       • 페이징 정보를 단계를 나누어 생성

         • 필요없는 페이지는 생성하지 않으면 공간절약가능

         • 필요한 페이지만 페이지 테이블 생성하여 사용

     • MMU와 TLB(컴퓨터 구조)

       • MMU가 물리주소를 확인하기 위해 메모리를 갔다와야함.

       • 시간이 오래걸림

       • TLB(Translation Lookaside Buffer): 페이지 정보 캐쉬를 두고 caching

     • 페이징 시스템과 공유메모리

       • 프로세스간 동일한 물리주소를 가리킬수있음(공간절약, 메모리시간할당시간절약)

   • 세그멘테이션

   • 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트(Segment)로 분할

   • 페이징 기법에서는 가상 메모리를 같은 크기의 블록으로 분할

     • 예: X86 리얼모드

       • CS(code Segment), DS(Data Segment), SS(Stack Segment), ES(Extra Segment)로 세그먼트를 나누어 메모리 접근

       • 기존 80286 =>[보호모드 <= protection ring (user/kernel)] <-> 8086/80186CPU 소프트웨어

       • 부팅시 모드가 리얼모드 => 보호모드로

   • 세그먼트 가상주소

     • v = (s,d)

       • s: 세그먼트 번호

       • d: 블록 내 세그먼트 변위(offset)

   • 세그멘테이션 기법

     • 세그멘테이션은 크기가 다른 세그먼트 단위로 물리 메로리에 로딩

3. 참고

   • 내부단편화(페이지기법)

     • 페이지 블록만큼 데이터가 딱 맞게 채워져 있지 않을 때, 공간낭비

   • 외부단편화(세그멘테이션 기법)

     • 물리메모리가 원하는 연속된 크기의 메모리를 제공해주지 못하는 경우

   • 세그멘테이션/ 페이징 모두 하드웨어 지원필요

     • 다양한 컴퓨터 시스템에 이식성을 중요시하는 리눅스는 페이징 기법을 기반으로 구현.

• 페이지 폴트, 세그멘테이션은 image가 많아서, evernote에 정리.