가상 메모리 (Virtual memory)

해당 블로그의 내용은 학교에서 배운 내용을 개인적으로 정리한 내용이므로, 잘못된 부분이 있을 수도 있습니다. 

 

 

Virtual storage (memory)

• Non-continuous allocation (비연속적 할당)
• 사용자 프로그램을 여러 개의 block으로 분할
• 실행 시, 필요한 block들만 메모리에 적재
• 기법
  • Paging system
  • Segmentation system
  • Hybrid paging / segmentation system

주소 매핑 (Address mapping)

 

연속적 할당 (Continuous allocation)

• 상대 주소 (Relative address)
  • 프로그램의 시작 주소를 0으로 가정한 주소
• 재배치 (Relocation)
  • 메모리 할당 후, 할당된 주소에 따라 상대 주소들을 조정하는 작업 

비연속적 할당 (Non-continuous allocation)

• 가상 주소 (Virtual address = relative address)
  • 논리 주소(Logical address)
    • 연속된 메모리 할당을 가정한 주소
  • 실제 주소(Real address = absolute)
    • 실제 메모리에 적재된 주소
• 주소 매핑 (Address mapping)
  • 가상 주소 >> 실제 주소 
• 사용자/프로세스는 실행 프로그램 전체가 메모리에 연속적으로 적재되었다고 가정하고 실행 할 수 있음 

Block mapping

• 사용자 프로그램을 block 단위로 분할/관리
  • 각 block에 대한 address mapping 정보 유지
• Virtual address : v = (b, d)
  • b = block number
  • d = displacement(offset). 변위값 
• BMT, Block Map Table
  • 주소 매핑 정보 관리
    • 커널 공간에 프로세스마다 하나의 BMT를 가짐 
  • Residence bit
    • 해당 블록이 메모리에 적재되었는지 여부 (0 또는 1)

 

Virtual storage methods

• Paging system
• Segmemtation system
• Hybrid paging / Segmemtation system

Paging system

• 프로그램을 같은 크기의 블록으로 분할 (Pages)
• Page
  
  • 프로그램의 분할된 Block
• Page frame
  • 메모리의 분할 영역
  • Page와 같은 크기로 분할 
• 논리적 분할이 아님 (크기에 따른 분할)
  • 페이지 공유(Sharing) 및 보호(Protection) 과정이 복잡
    • Segmentation 대비
  • 간단하고 효과적임
  • 외부 단편화 없음
    • 대신 내부 단편화 발생 가능 

Virtual address : v = (p, d)

• p = page number
• d = displacement (offset)

주소 매핑

• PMT, Page Map Table
  • Residence bit
  • Secondary storage address (Swap-device의 위치)
  • Page frame number

주소 매핑 메커니즘

 

직접 사상 (Direct mapping)

• Block mapping 방법과 유사
• 문제점
  • 메모리 접근 횟수가 2배
    • 성능 저하
  • PMT를 위한 메모리 공간 필요
• 해결방안
  • TLB, Associative mapping
  • PMT를 위한 전용 기억장치(공간) 사용
    • Dedicated register or cache memory

연관 사상 (Association mapping)

• TLB(Translation Look-aside Buffer)에 PMT 적재 
  • PMT의 임시저장 Cache 역할을 함 
• PMT를 병렬 탐색
• Low overhead
• high speed 
• Expensive hardware
  • 큰 PMT를 다루기 어려움

Hybrid direct / associate mapping

• 두 기법을 혼합하여 사용
  • HW 비용은 줄이고, 연관 사상만의 장점 활용
• 작은 크기의 TLB 사용 
  • PMT : 메모리 (커널 공간)에 저장
  • TLB : PMT 중 일부 entry 들을 적재
    • 최근에 사용된 page들에 대한 entry 저장 
  • 지역성(Locality) 활용
    • 프로그램의 수행과정에서 한번 접근한 영역을 다시 접근 
    • 또는 인접 영역을 다시 접근할 가능성이 높음 

메모리 관리 (Memory management)

• Page와 같은 크기로 미리 분할하여 관리/사용
  • Page frame
  • FPM 기법과 유사

Frame Table

• Page frame 당 하나의 entry
• 구성
  • Allocated/available field
  • PID field
  • Link field : For free list (사용가능한 fp들을 연결)
  • AV : Free list header (free list의 시작점)

Page sharing

• 여러 프로세스가 특정 page를 공유 가능
  • Non-continuous allocation
• 공유 가능 page
  • Procedure pages
    • Pure code (reenter code)
  • Data pages
    • Read-only data
    • Read-write data
      • 병행성 제어 기법 관리하에서만 기능 

Page protection

• 여러 프로세스가 page를 공유할 때, Protection bit 사용

Segmentation system

• 프로그램을 논리적 Block으로 분할 (Segment)
  • Block의 크기가 서로 다를 수 있음
  • ex) stack, heap, main procedure, shared Lib
• 메모리를 미리 분할하지 않음
  • VPM과 유사
• Segment sharing / protection 이 용이함
• 주소 매핑 및 메모리 관리의 overhead가 큼
  • 전용 HW 활용으로 해결 가능 
• 내부 단편화 없음
  • 외부 단편화 발생 가능 

Virtual address : v = (s, d)

• s = segment number
• d = displacement(offset)
• Segment Map Table (SMT)
• Address mapping mechanism
  • Paging system과 유사 

SMT, Segment Map Table

• Residence bit
• Secondary storage address
• segment length
• protection bits (R/W/X/A)

직접 사상 (Direct mapping)

• Residence 비트가 0인 경우, Segment fault
• 변위(d)가 segment 길이보다 큰 경우 
  • segment overflow exception 처리 모듈을 호출
• 허가되지 않은 연산을 경우 (protection bit field 검사)
  • segment protection exception 처리 모듈을 호출 

메모리 관리

• VPM과 유사
  • Segment 적재 시, 크기에 맞추어 분할 후 적재

Segment sharing & protection

• 논리적으로 분할되어 있어, 공유 및 보호가 용이함 

 

Hybrid paging / segmentation system

• Paging과 Segmentation의 장점 결합
• 프로그램 분할
  • 논리 단위의 Segment로 분할
  • 각 segment를 고정된 크기의 page들로 분할 
  • Page sharing / protection이 쉬움
  • 메모리 할당/관리 overhead가 작음
  • 외부 단편화 없음
• Page 단위로 메모리에 적재 
• 전체 테이블의 수 증가
  • 메모리 소모가 큼
  • Address mapping 과정이 복잡 (3번 접근)
• 직접 사상의 경우, 메모리 접근이 3배
  • 성능 저하 요인 

Virtual address : v = (s, p, d)

• s = segment number
• p = page number
• d = offset in page
• SMT와 PMT 모두 사용
  • 각 프로세스 마다 하나의 SMT
  • 각 segment마다 하나의 PMT
• Address mapping
  • 직접, 연관 사상
• 메모리 관리
  • FPM(Fixed Partition Multi-programming)과 유사

SMT in Hybrid mechanism

• Residence bit 없음
  • 메모리에 올라가는 것은 page이기 때문 
• PMT address 
• SMT entry에서 PMT 를 찾음 

PMT for a segment

• Residence bit 
• page frame number