💫 Memory Management

✨ Logical vs. Physical Address

📌 Logical address (=virtual address)

• 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
• 각 프로세스마다 0번지부터 시작
• CPU가 보는 주소는 logical address임

📌 Physical address

• 메모리에 실제 올라가는 위치
• 주소 바인딩 : 주소를 결정하는 것

Symbolic Address → Logical Address → Physical address

✨ 주소 바인딩 (Address Binding)

📌 Compile time binding

• 물리적 메모리 주소(physical address)가 컴파일 시 알려짐
• 시작 위치 변경시 재컴파일
• 컴파일러는 절대 코드 (absolute code) 생성

📌 Load time binding

• Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
• 컴파일러가 재배치가능코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능

📌 Execution time binding (= Run time binding)

• 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있음
• CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검 (address mapping table)
• 하드웨어적인 지원이 필요
  (ex. base and limit registers, MMU).

📌 Memeory-Management Unit (MMU)

• MMU (Memory-Management Unit)
  • logical address 를 physical address로 매핑해 주는 Hardware device
• MMU scheme
  • 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register (=relocation register)의 값을 더한다
• user program
  • logical addresss 만을 다룬다
  • 실제 physical address를 볼 수 없으며 알 필요가 없다
• Dynamic Relocation

📌Hardware Support for Address Translation

• 운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터
  • Relocation register : 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값 (=base register)
  • Limit register : 논리적 주소의 범위

✨Dynamic Loading

• 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load 하는 것
• memory utilization의 향상
• 가끔식 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용
  예 ) 오류 처리 루틴
• 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능 (OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)
  → Overlay 와의 차이점
• Loading : 메모리로 올리는 것

✨ Overlay

• 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
• 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
• 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현 → Dynamic Loading과의 차이점
• 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
  • "Manual Overlay"
  • 프로그래밍이 매우 복잡

✨ Swapping

• Swapping
  • 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store로 쫓아내는 것
• Backing store (=swap area)
  • 하드디스크에서 쫓겨나서 가는 공간
  • 디스크
    • 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간
• Swap in / Swap out

  • 일반적으로 중기 스케줄러 (swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정

  • priority-based CPU scheduling algorithm

    • priority 가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
    • priority 가 높은 프로세스를 메모리에 올려 놓음

  • Compile time 혹은 load time binding 에서는 원래 메모리 위치로 swap in 해야 함

  • Execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음

  • swap time은 대부분 transfer time (swap되는 양에 비례하는 시간)임

    

✨ Dynamic Linking

• Linking을 실행 시간 (execution time) 까지 미루는 기법
• Static linking
  • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함됨
  • 실행 파일의 크기가 커짐
  • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비
    (ex. printf 함수의 라이브러리 코드)
• Dynamic linking
  • 라이브러리가 실행시 연결(link) 됨
  • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
  • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
  • 운영체제의 도움이 필요

✨ Allocation of Physical Memory

• 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용
  • OS 상주 영역
    • interrupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역
    • 높은 주소 영역 사용
• 사용자 프로세스 영역의 할당 방법
  • Contiguous allocation
    : 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
    - Fixed partition allocation
    - Variable partition allocation
  • Noncontiguous allocation
    : 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
    - Paging
    - Segmentation
    - Paged Segmentation

📌 Contiguous Allocation

고정분할(Fixed partition) 방식

• 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 나눔
• 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
• 분할당 하나의 프로그램 적재
• 융통성이 없음
  • 동시에 메모리에 load 되는 프로그램의 수가 고정됨
  • 최대 수행 가능 프로그램 적재
• Internal fragmentation 발생 (external fragmentation도 발생)

가변분할(Variable partition) 방식

• 프로그램의 크기를 고려해서 할당
• 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
• 기술적 관리 기법 필요
• External fragmentation 발생

Hole

• 가용 메모리 공간
• 다양한 크기의 hole 들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
• 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
• 운영체제는 다음의 정보를 유지

a) 할당 공간 b) 가용 공간 (hole)

💡 Dynamic Storage-Allocation Problem

: 가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제

• First-fit
  • Size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
• Best-fit
  • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
  • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야함
  • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨
• Worst-fit
  • 가장 큰 hole에 할당
  • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
  • 상대적으로 아주 큰 hole 들이 생성됨
• First-fit과 best-fit이 worst-fit 보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적인 것으로 알려짐 (실험적 결과)

💡 compaction

• extenal fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
• 사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole 들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
• 매우 비용이 많이 드는 방법임
• 최소한의 메모리 이동으로 compaction 하는 방법 (매우 복잡한 문제)
• Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다
• Run-time-binding 경우에만 가능

📌 Noncontiguous Allocation

💡 Paging

• Paging
  • Process의 virtual memory 를 동일한 사이즈의 page 단위로 나눔
  • Virtual memory의 내용이 page 단위로 noncontiguous하게 저장됨
  • 일부는 backing storage에, 일부는 physical memory에 저장
• Basic Method

  • physical memeory를 동일한 크기의 frame으로 나눔

  • logical memory를 동일 크기의 page로 나눔 (frame과 같은 크기)

  • 모든 가용 frame 들을 관리

  • page table을 사용하여 logical address를 physical address로 변환

  • External fragmentation 발생 안함

  • Internal fragmentation 발생 가능

    

💡 Implementation of Page Table

• Page table은 main memory에 상주
• Page-table base register (PTBR)가 page table 을 가리킴
• Page-table length register (PTLR)가 테이블 크기를 보관
• 모든 메모리 접근 연산에는 2번의 memory access 필요
• page table 접근 1번, 실제 data/instruction 접근 1번
• 속도 향상을 위해
  associative register 혹은 translation look-aside buffer (TLB) 라 불리는 고속의 lookup hardware cache 사용

💡 Paging Hardware with TLB

• 주소 변환을 위한 캐시 메모리

💡 Associative Register

• Associative registers (TLB): parallel search가 가능
  • TLB에는 page table 중 일부만 존재
• Address translation
  • page table 중 일부가 associative register 에 보관되어 있음
  • 만약 해당 page # 가 associative register에 있는 경우 곧바로 frame #을 얻음
  • 그렇지 않은 경우 main memory에 있는 page table 로부터 frame #을 얻음
  • TLB는 context switch 때 flush (remove old entries)

💡 Effective Access Time

• Associative register lookup time = ɛ
• memory cycle time = 1
• Hit ratio = ɑ
  • associative register 에서 찾아지는 비율
• Effictive Access Time (EAT)

💡 Two-Level Page Table

• 현대의 컴퓨터는 address space가 매우 큰 프로그램 지원

  • 32 bit address 사용시 : 2³² (4G) 의 주소 공간
    - page size가 4K시 1M개의 page table entry 필요
    - 각 page entry가 4B시 프로세스당 4M의 page table 필요
    - 그러나, 대부분의 프로그램은 4G의 주소 공간 중 지극히 일부분만 사용하므로 page table 공간이 심하게 낭비됨

    → page table 자체를 page로 구성

    → 사용되지 않는 주소 공간에 대한 outer page table에 엔트리 값은 NULL
    (대응하는 inner page table이 없음)

💡 Two-Level Paging Example

• logical address (on 32-bit machine with 4K page size)의 구성
  • 20 bit 의 page number
  • 12 bit 의 page offset
• page table 자체가 page로 구성되기 때문에 page number는 다음과 같이 나뉜다 (각 page table entry가 4B)
  • 10-bit의 page number.
  • 10-bit의 page offset.
• 따라서, logical address는 다음과 같다

• P₁은 outer page table의 index 이고
• P₂는 outer page table의 page에서의 변위(displacement)

💡 Address-Translation Scheme

• 2단계 페이징에서의 Address-translation scheme

💡 Multilevel Paging and Performance

• Address space가 더 커지면 다단계 페이지 테이블 필요
• 각 단계의 페이지 테이블이 메모리에 존재하므로 logical address의 physical address 변환에 더 많은 메모리 접근 필요
• 캐쉬 메모리를 통해 메모리 접근 시간을 줄일 수 있음
• 4단계 페이지 테이블을 사용하는 경우

  • 메모리 접근 시간이 100ns, 캐쉬 메모리 접근 시간이 20ns이고

  • 캐쉬 적중률이 98%인 경우
    effective memory access time = 0.98 x 120 + 0.02 x 520 = 128 nanoseconds.

    결과적으로 메모리 접근 시간을 28%만 down 시킴

💡 Valid (v) / Invalid (i) Bit in a Page Table

💡 Memory Protection

• Page table의 각 entry 마다 아래의 bit를 둔다
  • Protection bit
    • page에 대한 접근 권한 (read/write/read-only)
    • 어떤 연산에 관한 접근 권한
  • Valid-invalid bit

    • "valid"는 해당 주소의 frame에 그 프로세스를 구성하는 유효한 내용이 있음을 뜻함 (접근 허용)

    • "invalid"는 해당 주소의 frame에 유효한 내용이 없음*을 뜻함 (접근 불허)

      ---

      '*' i) 프로세스가 그 주소 부분을 사용하지 않는 경우
      ii) 해당 페이지가 메모리에 올라와 있지 않고 swap area에 있는 경우

💡 Inverted Page Table

• page table이 매우 큰 이유
  • 모든 process 별로 그 logical address에 대응하는 모든 page에 대해 page table entry가 존재
  • 대응하는 page가 메모리에 있든 아니든 간에 page table에는 entry로 존재
• Inverted page table
  • Page frame 하나당 page table에 하나의 entry를 둔 것 (system-wide)
  • 각 page table entry는 각각의 물리적 메모리의 page frame이 담고 있는 내용 표시
    (process-id, process의 logical address)
  • 단점
    • 테이블 전체를 탐색해야 함
  • 조치

    • associative register 사용 (expensive)

      

💡 Shared Page

• Shared code
  • Re-entrant Code (=Pure code)
  • read-only 로 하여 프로세스 간에 하나의 code만 메모리에 올림
    (ex. text editors, compilers, window systems).
  • Shared code는 모든 프로세스의 logical address space에서 동일한 위치에 있어야 함
• Private code and data

  • 각 프로세스들은 독자적으로 메모리에 올림

  • Private data는 logical address space의 아무 곳에 와도 무방

    

💡 Segmentation

• 프로그램은 의미 단위인 여러 개의 segment로 구성
  • 작게는 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 세그먼트로 정의
  • 크게는 프로그램 전체를 하나의 세그먼트로 정의 가능
  • 일반적으로는 code, data, stack 부분이 하나씩의 세그먼트로 정의됨
• Segment는 다음과 같은 logical unit 들임

  main(),
  function,
  global variables,
  stack,
  symbol table, arrays

💡 Segmentation Architecture

• Logical address 는 다음의 두 가지로 구성 < segment-number, offset >
• Segment table
  • each table entry has:
    • base - starting physical address of the segment
    • limit - length of the segment (segment의 길이)
• Segment-table base register (STBR)
  • 물리적 메모리에서의 segment table의 위치
• Segment-table lenth register (STLR)
  • 프로그램이 사용하는 segment의 수
    segment number s is legal if s < STLR

💡 Segmentation Hardware

💡Segmentation Architecture (Cont.)

• Protection
  • 각 세그먼트 별로 protection bit가 있음
  • Each entry:
    • Valid bit = 0 → illegal segment
    • Read/Write/Execution 권한 bit
• Sharing
  • shared segment
  • same segment number
  • ** segment는 의미 단위이기 때문에 공유(sharing)와 보안(protection)에 있어 paging보다 훨씬 효과적이다.
• Allocation
  • first fit / best fit
  • external fragmentation 발생
  • ** segment 의 길이가 동일하지 않으므로 가변분할 방식에서와 동일한 문제점들이 발생

💡 Sharing of Segment

💡 Segmentation with Paging

• pure segmentation 과의 차이점
  • segment-table entry가 segment의 base address 를 가지고 있는 것이 아니라 segment를 구성하는 page table의 base address 를 가지고 있음