[운영체제] 8주차 공부

김서영·2021년 11월 7일
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운영체제 스터디

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Memory Management

Logical VS Physical Address

Logical Address (=virtual address)

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

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
    시작위치 변경시 재컴파일
    컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성
  • Load time binding
    Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
    컴파일러가 재배치가능코드를 생성한 경우 가능
  • Execution time binding(=Run time binding)
    수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치 옮길 수 O
    CPU가 주소를 참조할 때마다 binding 점검
    하드웨어적인 지원 필요, MMU

Memory-Management Unit (MMU)

Logical address를 physical address로 매핑해주는 하드웨어 장치

MMU Scheme

사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register(=relocation register)의 값을 더함.

User program

logical address만을 다룸.
실제 physical address를 볼 수 없으며 알 필요가 없음.

Dynamic Relocation

Dynamic Loading

  • 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 것
  • memory utilization 향상
  • 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용함
  • 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능(OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)
    *Loading: 메모리로 올리는 것

Overlays

작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현.

  • 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
  • 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
  • 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현

Swapping

Dynamic Linking

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

Allocation of Physical Memory

메모리에는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용

  • OS 상주 영역
  • 사용자 프로세스 영역

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

실제 운영체제에서는 전혀 사용하지 않음.

  • External fragmentation(외부조각)
    프로그램 크기 > 분할의 크기
    아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할.
  • Internal fragmentation(내부조각)
    프로그램 크기 < 분할의 크기
    하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않은 메모리 조각.
    특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간.

Paging

Address Translation Scheme

CPU는 다음 두 가지로 구성된 virtual address를 사용

  • Page number(p)
    Page table의 index로 사용.
    해당 index에는 그 페이지의 물리적 메모리 상의 base address가 저장.
  • Page offset(d)
    base address와 더해져서 physical address가 구해짐.

Associative Register

  • Associative Registers(TLB): parallel search 가능
    TLB에는 page table 중 일부만 존재
  • Address translation
    page table 중 일부가 Associative Register에 보관.
    만약 해당 page#가 Associative Register에 있는 경우 곧바로 frame#를 얻음.
    그렇지 않은 경우 main memory에 있는 page table롭터 frame#을 얻음.
    TLB는 context switch 때 flush(remove old entries)

Effective Access Time

Two-Level Page Table

현대의 컴퓨터는 address space가 매우 큰 프로그램 지원
32bit address 사용시 : 4G의 주소공간

  • page size가 4k시 1M개의 page table entry 필요
  • 각 page entry가 4B시 프로세스 당 4M의 page table 필요
  • 그러나, 대부분의 프로그램은 4G의 주소 공간 중 지극히 일부분만 사용하므로 page table 공간이 심하게 낭비

-> page table 자체를 page로 구성
-> 사용되지 않는 주소 공간에 대한 outer page table의 엔트리 값은 NULL(대응하는 inner page table이 없음)

Multilevel Paging and Performance

  • 보통 일반적으로, 공간은 커지나 시간이 오래 걸림
  • 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, 캐시 메모리 접근 시간이 20ns, 캐쉬 적중률이 98%인 경우
    effective memory access time = 0.98x120+0.02x520 = 128 nanoseconds
    결과적으로 메모리 접근 시간을 28%만 감소시킴.

Memory Protection

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하지만 저는 이겨냅니다. 김서영이죠?

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