메모리

메모리

정의

메모리는 각자 주소를 가진 바이트들의 큰 배열이다. CPU는 프로그램 카운터를 이용해 메모리에서 명령어를 fetch하고, 명령어는 메모리로의 load/store를 유발한다.

메모리 공간 분리와 보호

메모리 공간은 사진과 같이 구성되어 있으며, Base Register과 Limit Register으로 각 프로세스마다 별도의 메모리 공간을 보장해야 한다.

• Base Register : 프로세스가 사용 가능한 메모리 영역의 시작 주소
• Limit Register : 프로세스가 사용 가능한 메로리 영역의 크기

CPU는 유저 모드에서 생성되는 모든 주소를 두 레지스터와 비교하고, 모두 참일 경우 메모리에 접근한다.

주소 바인딩

프로그램은 디스크에 실행가능한 이진 파일 형태로 저장된다. 이를 실행하기 위해서 메모리로 가져와진다. 소스 코드에는 보통 Symbolic 주소를 가지고 있다. 소스 코드를 컴파일러가 컴파일하여 오브젝트 파일로 변환을 할 때, Symbolic 주소가 relocatable 주소로 변환된다. 이후 링커 혹은 로더가 relocatable 주소를 absolute 주소로 변환한다.

• Symbolic Address : 프로그래머가 소스 코드에서 사용하는 이름으로 된 주소

    int count = 0;        // 'count' 라는 심볼
      
    void main() {         // 'main' 이라는 심볼
        count = count + 1;
        printf("%d", count);   // 'printf' 라는 심볼
    }
  

• Relocatable Address : 이 모듈의 시작점으로부터 N 바이트 떨어진 위치 형태의 상대 주소

    모듈 내부 오프셋  심볼      크기
       +0           main      120 bytes
       +120         count     4 bytes
       +124         buffer    256 bytes
  

• Absolute Address : 링커 혹은 로더가 Relocatable 주소를 실제 메모리 위치로 확정한 주소

  • 링커 혹은 로더가 위 모듈을 주소 74000번지로 적재하기로 결정했다면 아래와 같이 메모리 위치가 확정된다.

    이전 (relocatable)  →   이후 (absolute)
       +0                    74000  (main)
       +120                  74120  (count)
       +124                  74124  (buffer)
  

논리 주소 vs 물리 주소

• 논리 주소 공간 : 한 프로세스가 사용할 수 있는 논리 주소들의 공간
  • 논리 주소 : CPU가 생성하는 주소, 프로그램이 보는 주소
• 물리 주소 공간 : 시스템이 실제로 존재하는 물리 주소들의 집합
  • 물리 주소 : 실제 메모리의 하드웨어 주소, 메모리 칩에 전달되는 주소

MMU

Memory Managment Unit의 약어로 논리 주소를 물리 주소로 변환을 수행하는 하드웨어 장치이다.

연속 메모리 할당

제한된 크기를 가진 메모리를 여러 프로세스에 대해 효율적으로 할당할 수 있는 방법이 무엇일까? 일반적으로 메모리는 두 파티션으로 나뉘게 된다.

• OS 영역
• 사용자 프로세스 영역

여러 사용자 프로세스가 동시에 메모리에 상주할 수 있어야 하기 때문에, 대기 중인 프로세스에게 어떻게 메모리를 할당해야할지가 문제이다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나가 연속 메모리 할당이다.

연속 메모리 할당은 각 프로세스는 하나의 연속된 메모리 구간에 통째로 들어가고, 그다음 프로세스는 바로 이어지는 다른 연속 구간에 들어가는 것이다. 프로세스가 다음 프로세스 뒤에 위치해야하기 때문에 주소 공간 침범을 막아야하고, Relocation Register과 Limit Register 두 레지스터를 활용하여 메모리 공간 보호를 수행한다. 또한, 변환 로직도 동시에 수행한다.

Variable-Partition

메모리를 가변 크기 파티션으로 나누어, 각 파티션에 정확히 하나의 프로세스를 할당하는 방식이다. 사진 처럼 메모리 공간을 가변 크기 파티션으로 나누고 각 공간에 프로세스를 적재한다. 시간이 지남에 따라 프로세스가 종료되면 메모리에는 공간이 생기고 이 공간을 hole이라고 한다. 다음에 실행될 프로세스는 운영체제가 해당 프로세스를 적재할 수 있는 hole를 찾아 할당해준다.

Dynamic Storage Allocation Problem

프로세스의 크기는 제각각이고, hole 크기 또한 제각각이다. 이 과정에서 적절한 크기의 hole를 찾은 과정에서 대표적인 세 가지 알고리즘이 사용된다.

• First-Fit : 충분히 큰 첫 번째 hole에 할당
• Best-Fit : 충분히 가장 작은 hole에 할당
• Worst-Fit : 가장 큰 hole에 할당

단편화

메모리를 할당하고 해제하는 과정이 반복되면서 메모리 공간이 조각나 총 공간은 충분해도 실제로 사용할 수 없게 되는 현상이다.

내부 단편화

• 프로세스의 크기보다 메모리 공간이 큰 경우에 발생
• 일정 크기로 분할 된 메모리 공간에 프로세스가 적재되었지만 여유 공간이 발생
• 하나의 메모리 공간에는 하나의 프로세스만 적재될 수 있기 때문에 사용되지 못함

외부 단편화

• 프로세스의 크키가 메모리 공간보다 큰 경우에 발생
• 프로세스가 종료되고 생긴 메모리 사이의 빈 공간에 새로운 프로세스를 적재하지 못함

해결 방법

• 통합 기법 : 인접해 있는 두 공간이 비어있다면 하나로 통합
• 압축 기법 : 비어있는 공간들을 통합하여 하나의 공간으로 만드는 작업
• 재배치 기법 : 프로그램의 주소를 새롭게 지정

페이징

연속 메모리 할당은 다음과 같은 한계가 존재한다.

• 외부 단편화 : 시간이 지나면 메모리가 작은 hole들로 쪼개진다.
• 압축 비용 : 단편화의 해결 방법으로 비어있는 공간들을 압축할 수 있지만 비굥이 발생한다.
• 연속성 제약 : 프로세스가 반드시 한 덩어리여야 한다.

페이징은 프로세스가 반드시 연속될 필요는 없다라는 아이디어를 통해 연속 메모리 할당의 한계를 해결한다.

페이징의 기본 메커니즘은 Page와 Frame이다.

• Page : 논리 메모리 공간에서 같은 크기 블록으로 나눔
• Frame : 물리 메모리 공간에서 고정 크기 블록으로 나눔

이를 통해 논리 주소 공간과 물리 주소 공간이 완전히 분리된다.

CPU가 생성하는 주소는 두 파트로 분리된다.

• Page Number : 페이지 테이블의 인덱스로 사용
• Page Offset : 해당 페이지 내에서 몇 번째 바이트인지 사용