페이징
메모리 할당 방식 중 불연속 메모리 할당의 고정 (크기) 분할 방식 중 하나로, 작업을 크기가 동일한 페이지로 나누어서 처리하는 방법을 페이징이라고 한다.
페이지란?
가상 메모리 전체 주소 공간의 고정된 크기 블록(4KB)를 페이지라고 한다.
물리 메모리는 페이지가 아닌프레임단위를 사용한다.
페이징이란?
불연속 메모리 할당 기법 중 하나로, 동일한 크기의 페이지를 물리 메모리의 빈 프레임에 각각 저장한다.
- 장점: 외부 단편화가 없으며 연속 메모리 할당으로 발생하는 문제를 해결해준다.
- 단점: 내부 단편화 가능성이 있으며, OS의 페이지 관리 부담이 높다.
페이징 시스템의 하드웨어
페이지 테이블
각 프로세스마다 페이지 테이블을 만들고 유지해 페이징을 지원한다.
페이지 테이블의 물리 주소는 PCB에 저장되어, CPU 스케줄러가 프로세스 실행 시 PTBR을 함께 로드한다.
- PTBR(Page Table Base Register): 페이지 테이블의 시작 물리 주소를 가르키는 하드웨어 레지스터로, MMU가 PTBR이 가르키는 페이지 테이블을 참조해 가상 주소 -> 물리 주소로 매핑할 수 있다.
페이지 테이블 구현 방식
페이지 테이블 구현은 크게 두 방식으로 구분 할 수 있다.
- 레지스터 방식: 페이지 테이블 전체를 고속 하드웨어 레지스터로 구현하는 방식.
- 장점: 번역 속도가 매우 빠르다.
- 단점: 컨텍스트 전환 시 모든 레지스터가 교환해야 되기 때문에 오버헤드가 크다.
- 메인 메모리 방식: 페이지 테이블을 메인 메모리에 두고, PTBR 하나만 레지스터에 보관한다.
- 장점: 컨텍스트 전환 시 PTBR 하나만 교환하면 되기 때문에 오버헤드가 작다.
TLB(Translation Lookaside Buffer)
페이지 번호와 프레임 번호의 매핑을 캐싱하는 소형 기억장치다.
- 동작 방식
1) CPU 논리 주소 생성
2) MMU가 페이지 번호로 TLB 먼저 조회
2-1)Hit시 즉시 프레임 번호를 획득해 메인 메모리 해당 부분에 접근한다.
2-2)Miss시 페이지 테이블에서 프레임 번호를 획득하고, 그 쌍을 TLB에 추가 후 메인 메모리 해당 부분에 접근한다. - 엔트리(Row) 교체 정책으로 LRU, R-R(라운드 로빈), 랜덤 등이 존재한다.
- ASID(Address-Space-Id): 각 TLB 엔트리에 프로세스 식별자(ASID)를 함께 저장해 컨텍스트 전환 시 TLB Flush() 없이도 여러 프로세스 엔트리를 공존시킬 수 있다.
보호
유효-무효 비트를 통해 논리 주소 공간에 속하지 않는 페이지 접근을 무효 처리하거나, 페이지 테이블 엔트리마다 보호 비트를 두고 권한 위반 시 H/W 트랩을 발생시켜 보호할 수있다.
공유 페이지
재진입 가능한 코드만 물리 메모리의 같은 페이지를 공유해 메모리 효율을 높일 수 있다.
생각 정리
페이지와 프레임 차이는 뭘까??
페이지는 가상 메모리 주소 공간에서 사용하는 고정된 크기의 블록을 의미하고, 프레임은 물리 메모리 주소 공간에서 고정된 크기의 블록을 의미한다.
외부 단편화와 내부 단편화란??
- 외부 단편화: 전체 여유 메모리의 총량은 충분하지만, 여유 공간들이 불연속적이여서 메모리를 할당할 수 없는 문제
- 내부 단편화: 프로세스가 요청한 크기보다 할당한 블록이 더 커서 남는 공간이 발생하는 문제
페이지가 실제 주소를 가져오는 과정은??
1) CPU가 생성한 논리 주소의 페이지 번호(p)와 페이지 내 오프셋(d)로 분리시킨다.
2) 분리된 p로 페이지 테이블을 인덱싱해 해당하는 프레임 번호(f)를 읽어온다.
3) (f*프레임 크기) + d 공식을 통해 실제 주소를 찾아낸다.
어떤 주소공간이 있을 때, 수정 가능한 공간인지 확인하는 방법은??
페이지 테이블 엔트리마다 프로텍트 비트가 존재하는데, 이 비트를 통해 수정 가능 여부를 확인한다.
32비트에서 페이지 크기가 1kb일 때, 페이지 테이블의 최대 크기??
논리 주소 전체 크기(2^32)를 페이지 크기(2^10)으로 나눈 2^22가 페이지 최대 크기가 된다.
32비트 OS는 램을 최대 4GB로 사용할 수 있는 이유??
32비트 논리 주소 전체 크기는 2^32 즉 4G이다. 페이징에서 논리 주소의 상위 32비트가 페이지 번호로 쓰이기 때문에 최대 4GB로 사용할 수 있다.
TLB를 쓰면 왜 빨라질까??
매번 페이지 테이블을 참조하지 않고, TLB Hit 시 바로 메모리에 접근할 수 있기 때문에 빠르다.
MMU란?
MMU(Memeory-Management Unit)는 논리 페이지를 물리 페이지 프레임으로 동적 매핑해주는 역할을 한다.
TLB와 MMU의 위치는 어딜까?
두 장치 모두 CPU 내부 레지스터와 캐시 사이에 존재하고 있다.
코어가 여러개일 때, TLB는 어떻게 동기화 할까?
각 코어마다 독립적인 TLB를 가지는데 이는 ASID를 써서 쉽게 해결할 수 있다.
ASID 설명은 본문을 참고하자.
TLB 관점에서, Context Switching 발생 시 어떤 변화가 일어날까?
TLB를 전부 비우는 Flsuh()와 ASID를 바꿔서 프로세스 식별자에 맞는 엔트리만 접근할 수 있도록 제어한다.
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