운영체제 스터디 6주차

낚시하는 곰·2025년 10월 14일

운영체제 스터디

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베이스 레지스터와 바운드 레지스터

“프로세스마다 메모리 공간이 분리되어 있는 이유가 뭘까?”

바로 CPU가 베이스 레지스터(Base Register) 와 바운드 레지스터(Bound Register) 라는 하드웨어를 통해
각 프로세스의 메모리 접근을 감시하고, 보호하기 때문이다.

1️⃣ 배경 — 모든 프로그램이 같은 메모리를 쓸 수 있었던 시절

초기의 컴퓨터에서는
모든 프로그램이 물리 메모리를 그대로 사용했다.
즉, 운영체제와 사용자 프로그램이 한 주소 공간을 공유했기 때문에,
하나의 버그가 시스템 전체를 날려버릴 수 있었다.

[물리 메모리]
|---------------------------|
| OS | 프로그램 A | 프로그램 B |
|---------------------------|

프로그램 A가 실수로 B의 주소를 참조하면 B의 데이터가 덮여버림
운영체제 코드 영역을 침범하면 시스템 전체가 다운됨

이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이
“주소 변환(Address Translation)”, 그리고
그 핵심 하드웨어가 바로 Base / Bound 레지스터다.

2️⃣ 개념 — “가상 주소를 물리 주소로 바꾸는 기준점”

프로세스가 메모리를 접근할 때,
CPU는 실제 물리 주소로 바로 접근하지 않는다.

그 대신 프로세스 입장에서는
항상 0번지부터 시작하는 독립된 공간을 본다.

이 “가상 주소”를 실제 “물리 주소”로 바꿔주는 역할을
CPU의 베이스 레지스터와 바운드 레지스터가 맡는다.

3️⃣ 베이스 레지스터 (Base Register)

“이 프로세스의 메모리는 물리 메모리 어디서부터 시작하나요?”

정의: 프로세스의 주소 공간이 실제 메모리상에서 시작되는 물리 주소
기능:
가상 주소(virtual_addr) + 베이스 값 = 물리 주소(physical_addr)

즉, 프로세스가 “0번지에 쓰기”를 시도해도
CPU는 Base + 0 주소에 접근하도록 자동 변환한다.

예시

프로세스 A: Base = 1000
프로세스 B: Base = 5000

프로세스 A가 0x0100에 접근 → 실제는 1000 + 0x0100 = 1100
프로세스 B가 0x0100에 접근 → 실제는 5000 + 0x0100 = 5100

두 프로세스 모두 “0x0100”을 썼지만,
물리 메모리상에서는 전혀 다른 영역에 접근한다.

4️⃣ 바운드 레지스터 (Bound Register)

“이 프로세스가 접근할 수 있는 최대 범위는 어디까지인가?”

정의: 프로세스의 주소 공간 크기(또는 끝 주소)를 저장
기능:
접근하려는 가상 주소가 이 범위 안에 있는지 검사
역할:
잘못된 메모리 접근을 하드웨어 수준에서 차단

예시

Base = 1000
Bound = 4000 (즉, 0x0 ~ 0x0FFF까지만 유효)

접근: virtual_addr = 0x0500 → OK ✅
접근: virtual_addr = 0x2000 → ❌ 바운드 초과 → 예외(Exception) 발생 → 세그폴트(SIGSEGV)

이 과정은 운영체제가 아닌 CPU(MMU) 가 즉시 처리한다.
즉, 성능에 전혀 영향을 주지 않고 하드웨어가 자동으로 보호 기능을 수행한다.

5️⃣ 전체 동작 흐름

[CPU 실행 흐름]

가상 주소 요청
   ↓
가상주소 + Base → 물리주소 계산
   ↓
Bound 범위 검사
   ↓
┌───────────────┬───────────────┐
│ 유효 주소     │ 범위 초과     │
│ → 접근 허용   │ → 예외 발생   │
└───────────────┴───────────────┘

즉, 하드웨어가 “주소 변환 + 보호”를 한 번에 처리하는 구조야.
운영체제는 이 값(Base, Bound)을 세팅해주기만 하면 된다.

6️⃣ 예시 코드 (시뮬레이션)

아래는 이 원리를 단순히 시뮬레이션한 C 코드야.

#define BASE 1000
#define BOUND 4000

int translate_address(int virtual_addr) {
    if (virtual_addr < 0 || virtual_addr >= BOUND) {
        printf("Segmentation Fault! 접근 불가 주소: %d\n", virtual_addr);
        return -1;
    }
    return BASE + virtual_addr;
}

int main() {
    int vaddr = 1200;
    int paddr = translate_address(vaddr);
    if (paddr != -1)
        printf("가상주소 %d → 물리주소 %d\n", vaddr, paddr);
}

출력:

가상주소 1200 → 물리주소 2200

만약 vaddr = 5000; 이면:

Segmentation Fault! 접근 불가 주소: 5000

7️⃣ 운영체제가 이걸 어떻게 관리하나

운영체제는 프로세스마다 “메모리 맵핑 정보”를 저장해야 한다.
이를 PCB (Process Control Block) 에 기록한다.

프로세스	Base	Bound
A	1000	4000
B	5000	2000

프로세스 전환(Context Switch) 시,
운영체제는 CPU의 Base/Bound 레지스터를 PCB에 맞게 교체한다.

이로써 동시에 여러 프로세스가 돌아도
서로의 메모리를 침범할 수 없다.

8️⃣ 현대 시스템에서의 진화

과거	현대	의미
Base/Bound	Page Table	더 유연한 메모리 매핑 (비연속적 영역 가능)
단일 주소 범위	다수의 페이지	세그멘테이션 + 페이징 결합
단순 보호	권한 비트(R/W/X)	세밀한 접근 제어
CPU 검사	MMU + TLB	빠른 주소 변환 캐시

즉, Base/Bound는 현대 가상 메모리의 조상이자,
“프로세스 격리(isolation)”의 가장 단순한 형태다.

9️⃣ 백엔드 개발자 관점에서의 비유

OS 메커니즘	백엔드 대응 개념
Base Register	컨테이너 루트 디렉토리 (`chroot`)
Bound Register	cgroup 메모리 제한
예외 발생	API 403/401 Forbidden
PCB + Context Switch	스레드 풀의 컨텍스트 교체

즉, 운영체제의 메모리 격리 원리 = 서버의 자원 격리 원리야.
Base/Bound는 우리가 매일 쓰는 Docker, VM, 컨테이너 격리의 기초 설계 철학이야.

마무리

Base Register는 “어디서부터 시작할지”,
Bound Register는 “어디까지 허용할지”를 정의한다.
이 두 값 덕분에 운영체제는

각 프로세스의 메모리를 독립적으로 보호하고,
버그나 공격으로부터 시스템 전체를 방어할 수 있다.

낚시하는 곰

취업 준비생 낚곰입니다!! 반갑습니다!!

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