가상 메모리 (Virtual Memory)
정의
- 가상 메모리는 프로세스가 실제 물리 메모리의 용량에 구애받지 않고 더 큰 메모리를 사용할 수 있도록 지원하는 메커니즘이다.
- 운영 체제가 물리 메모리와 보조 저장 장치(예: HDD) 사이를 관리하여, 프로세스마다 고유한 메모리 공간을 제공하는 기술이다.
주요 개념
- 논리 주소와 물리 주소
- 논리 주소(Logical Address): 프로세스가 참조하는 가상 주소.
- 물리 주소(Physical Address): 실제 RAM에서의 주소.
- MMU(메모리 관리 장치)가 논리 주소를 물리 주소로 변환.
- 페이지와 페이지 테이블
- 가상 메모리는 페이지(Page)라는 고정 크기 블록으로 나뉜다.
- 운영 체제는 페이지 테이블을 사용하여 가상 주소와 물리 주소 간의 매핑을 관리한다.
- 스왑(Swap)
- 물리 메모리가 부족하면, 사용하지 않는 페이지를 보조 저장 장치(예: 디스크)로 옮기는 과정.
- 스왑 영역은 보조 저장 장치의 일부를 가상 메모리로 사용하는 공간이다.
장점
- 메모리 확장: 실제 물리 메모리보다 더 많은 메모리를 사용할 수 있음.
- 프로세스 격리: 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가짐.
- 효율적 자원 관리: 자주 사용하지 않는 데이터를 디스크로 이동하여 RAM을 절약.
단점
- 성능 저하: 스왑이 빈번하게 발생하면 페이지 폴트로 인해 성능이 저하될 수 있음.
- 복잡성: 페이지 테이블 관리 및 주소 변환 과정이 추가됨.
MMU (Memory Management Unit)
정의
- MMU는 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 하드웨어 장치이다.
- CPU와 메모리 사이에 위치하여, 가상 메모리 관리를 지원하는 데 핵심 역할을 한다.
주요 기능
- 주소 변환 (Address Translation)
- 가상 주소를 물리 주소로 변환.
- 이 과정에서 페이지 테이블을 참조하여 매핑을 수행.
- 페이지 보호 (Page Protection)
- 페이지 단위로 메모리 접근 권한(읽기/쓰기/실행 등)을 설정하여 프로세스 간의 메모리 침범을 방지.
- TLB (Translation Lookaside Buffer)
- 주소 변환 속도를 높이기 위해 사용하는 캐시.
- 페이지 테이블의 일부를 저장하여 자주 참조되는 주소 변환을 빠르게 처리.
주소 변환 과정 (일반적인 흐름)
- CPU가 가상 주소를 생성.
- MMU가 페이지 테이블을 참조하여 해당 가상 주소를 물리 주소로 변환.
- 변환된 물리 주소를 통해 실제 데이터에 접근.
장점
- 주소 매핑 자동화: CPU가 직접 물리 주소를 계산하지 않아도 됨.
- 성능 향상: TLB와 같은 하드웨어 가속을 통해 빠른 주소 변환 가능.
- 보안 강화: 메모리 접근 권한을 제어하여 시스템 안정성 확보.
단점
- 추가 비용: MMU와 페이지 테이블 관리로 인해 시스템 설계가 복잡해짐.
- TLB 미스: TLB에 없는 페이지를 참조할 경우, 성능이 일시적으로 저하.
가상 메모리와 MMU의 관계
- 가상 메모리와 MMU는 상호 의존적이다.
- 가상 메모리는 논리 주소 공간을 생성하여 프로세스의 메모리 사용 효율을 높이며, MMU는 이러한 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 데 필요한 하드웨어적 지원을 제공한다.
가상 메모리의 동작 원리
- 주소 공간 분리
- 프로세스마다 독립적인 논리 주소 공간을 제공.
- 페이지 교체
- 물리 메모리가 부족할 때, 페이지 교체 알고리즘을 통해 스왑 영역으로 데이터를 이동.
- 예: FIFO, LRU, LFU 등의 알고리즘.
- 페이지 폴트 처리
- 가상 메모리에서 참조된 페이지가 물리 메모리에 없으면, 운영 체제가 디스크에서 해당 페이지를 로드.
가상 메모리와 MMU의 장단점
| 기능 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 가상 메모리 | 물리 메모리 확장, 프로세스 간 격리, 효율적 자원 관리 | 성능 저하(스왑), 페이지 폴트 관리 필요 |
| MMU | 빠른 주소 변환, 메모리 보호, 효율적 자원 접근 | 추가 하드웨어 비용, TLB 관리 필요 |
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