[Computer Science][Operating System] 🧠 메인 메모리와 MMU: 컴퓨터 메모리의 핵심 이해하기

🧠 메인 메모리(Main Memory)

메인 메모리는 CPU가 직접 접근할 수 있는 기억 장치로, 프로세스가 실행되기 위해서는 프로그램이 메모리에 올라와야 합니다. 메인 메모리는 주소가 할당된 일련의 바이트들로 구성되어 있으며, CPU는 레지스터가 지시하는 대로 메모리에 접근하여 다음에 수행할 명령어를 가져옵니다. 명령어 수행 시 메모리에 필요한 데이터가 없으면 해당 데이터를 우선 가져와야 하며, 이 역할을 하는 것이 바로 MMU(Memory Management Unit)입니다.

📦 MMU(Memory Management Unit, 메모리 관리 장치)

• 주소 변환: MMU는 논리 주소를 물리 주소로 변환해줍니다.
• 메모리 관리: 메모리 보호 및 캐시 관리 등을 통해 CPU가 메모리에 접근하는 것을 총 관리하는 하드웨어입니다.

메모리의 공간이 한정적이기 때문에, 사용자에게 더 많은 메모리를 제공하기 위해 '가상 주소'라는 개념이 등장합니다. 가상 주소는 프로그램에서 사용자가 보는 주소 공간을 의미하며, MMU는 이 가상 주소에서 실제 데이터가 담겨 있는 곳에 접근하기 위해 빠른 주소 변환을 도와줍니다.

MMU의 역할

• MMU가 지원되지 않으면 physical address를 직접 접근해야 하므로 부담이 커집니다.
• MMU는 사용자가 기억장소를 일일이 할당해야 하는 불편을 없애줍니다.
• 프로세스의 크기가 실제 메모리 용량을 초과해도 실행될 수 있게 합니다.

📊 메모리 보호

프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가져야 하며, 자신의 공간만 접근해야 합니다. 따라서 각 프로세스에게 합법적인 주소 영역, 즉 그 메모리만 접근할 수 있는 영역을 설정하고, 잘못된 접근이 발생하면 trap을 발생시켜 보호합니다.

Base와 Limit 레지스터를 활용한 메모리 보호 기법

• Base 레지스터: 메모리상의 프로세스 시작 주소를 물리 주소로 저장합니다.
• Limit 레지스터: 프로세스의 크기를 저장합니다.

이로써 프로세스의 접근 가능한 합법적인 메모리 영역(x)은 다음과 같습니다:

base <= x < limit

이 영역 밖에서 접근을 요구하면 trap이 발생합니다. 안전성을 위해 base와 limit 레지스터는 커널 모드에서만 수정 가능하도록 설계되어 있습니다.

🚦 메모리 과할당(Over Allocating)

메모리 과할당은 실제 메모리의 사이즈보다 더 큰 사이즈의 메모리를 프로세스에 할당한 상황을 의미합니다. 페이지 기법과 같은 메모리 관리 기법은 사용자가 이를 눈치채지 못하도록 메모리를 할당해 줍니다. 과할당 상황에서 사용자가 이를 인지할 수 있는 상황은 다음과 같습니다:

1. 프로세스 실행 도중 페이지 폴트 발생
2. 페이지 폴트를 발생시킨 페이지 위치를 디스크에서 찾음
3. 메모리의 빈 프레임에 페이지를 올려야 하는데, 모든 메모리가 사용 중이라 빈 프레임이 없음

이러한 과할당을 해결하기 위해서는 빈 프레임을 확보해야 합니다. 해결 방법은 다음과 같습니다:

1. 메모리에 올라와 있는 한 프로세스를 종료시켜 빈 프레임을 얻음
2. 프로세스 하나를 swap out하고, 이 공간을 빈 프레임으로 활용

스와핑 기법을 통해 공간을 바꿔치기하는 방법이 있지만, 첫 번째 방법은 사용자에게 페이징 시스템을 들킬 가능성이 높아 피해야 합니다. 따라서 두 번째 방법을 통해 페이지 교체가 이루어져야 합니다.

🔄 페이지 교체

메모리 과할당이 발생했을 때, 프로세스 하나를 swap out하여 빈 프레임을 확보하는 과정은 다음과 같습니다:

1. 프로세스 실행 도중 페이지 부재 발생
2. 페이지 폴트를 발생시킨 페이지 위치를 디스크에서 찾아서
3. 메모리에 빈 프레임이 있는지 확인
   • 빈 프레임이 있으면 해당 프레임을 사용
   • 빈 프레임이 없으면 victim 프레임을 선정해 디스크에 기록하고 페이지 테이블을 업데이트함
4. 빈 프레임에 페이지 폴트가 발생한 페이지를 올리고, 페이지 테이블 업데이트

페이지 교체가 이루어지면, 아무 일이 없던 것처럼 프로세스를 계속 수행시켜 사용자에게 알리지 않아야 합니다. 이를 위해 페이지 교체 당시 오버헤드를 최대한 줄여야 합니다.

오버헤드 감소 방법

빈 프레임이 없는 상황에서 victim 프레임을 비울 때와 원하는 페이지를 프레임으로 올릴 때 두 번의 디스크 접근이 이루어지므로, 페이지 교체가 많이 발생하면 오버헤드 문제가 발생하게 됩니다.

방법 1: 변경 비트 활용

모든 페이지마다 변경 비트를 두어, victim 페이지가 정해지면 해당 페이지의 비트를 확인합니다.

• set 상태: 페이지 내용이 디스크 상의 페이지 내용과 달라졌다는 뜻으로, 디스크에 기록해야 합니다.
• clear 상태: 디스크상의 페이지 내용과 메모리 상의 페이지가 정확히 일치하여 기록할 필요가 없습니다.

이 방법을 통해 디스크에 기록하는 횟수를 줄여 오버헤드를 절반으로 감소시킬 수 있습니다.

방법 2: 페이지 교체 알고리즘 선택

현재 상황에서 페이지 폴트를 발생할 확률을 최대한 줄여줄 수 있는 교체 알고리즘을 사용해야 합니다. 주요 알고리즘으로는 FIFO, OPT, LRU 등이 있습니다.

⚡ 캐시 메모리

캐시 메모리는 주기억장치에 저장된 내용의 일부를 임시로 저장해두는 기억장치로, CPU와 주기억장치의 속도 차이로 인한 성능 저하를 방지하기 위한 방법입니다. CPU가 이미 봤던 것을 다시 재접근할 때, 메모리 참조 및 인출 과정에 대한 비용을 줄이기 위해 캐시에 저장해둔 데이터를 활용합니다.

캐시는 플립플롭 소자(0과 1의 두가지 상태를 유지하는 소자)로 구성되어 SRAM(static)으로 되어 있어 DRAM(dynamic)보다 빠른 장점을 지닙니다. 이는 SRAM은 데이터 유지를 위해 지속적인 전원 공급이 필요하지만 재충전이 필요하지는 않기 때문입니다.

CPU와 기억장치의 상호작용

1. CPU에서 주소를 전달합니다.
2. 캐시 기억장치에 명령이 존재하는지 확인합니다.
   • Hit: 해당 명령어를 CPU로 전송하고 완료합니다.
   • Miss: 명령어를 갖고 주기억장치로 접근하여 데이터 인출 후 캐시에 저장하고 CPU로 전송합니다.

이 과정에서 캐시를 잘 활용하면 비용을 많이 줄일 수 있습니다. 따라서 CPU가 어떤 데이터를 원할지 예측할 수 있어야 하며, 캐시에 유용한 정보가 들어있어야 성능이 높아집니다. 이 때, 적중률을 극대화시키기 위해 사용되는 것이 바로 '지역성의 원리'입니다.

지역성의 원리

지역성은 기억 장치 내의 정보를 균일하게 액세스하는 것이 아니라 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성을 의미합니다. 지역성의 종류는 시간과 공간으로 나눌 수 있습니다.

• 시간 지역성: 최근에 참조된 주소의 내용은 곧 다음에도 참조되는 특성입니다.
• 공간 지역성: 실제 프로그램이 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 다시 참조되는 특성입니다.

📊 캐싱 라인

캐시에 빈번하게 사용되는 데이터들을 저장했더라도, 필요한 데이터를 찾기 위해 모든 데이터를 순회하는 것은 시간 낭비입니다. 따라서 캐시에 데이터를 저장할 시 자료구조(set, map 등)를 활용해 묶어서 저장하는데, 이를 캐싱 라인이라고 부릅니다. 이렇게 하면 메모리 주소와 함께 저장하여 빠르게 원하는 정보를 찾을 수 있습니다.

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이 글을 통해 메인 메모리, MMU, 메모리 보호, 과할당, 페이지 교체, 캐시 메모리 등 컴퓨터 메모리의 핵심 개념을 이해하는 데 도움이 되었기를 바랍니다.

이런 자료를 참고했어요.
[1] 티스토리 - 메모리(Memory) - 운영체제 - 개발 기록 - 티스토리 (https://mimsdatastudy.tistory.com/46)
[2] Wikipedia - 메모리 관리 장치 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC_%EA%B4%80%EB%A6%AC_%EC%9E%A5%EC%B9%98)
[3] 티스토리 - 주기억장치관리 - MMU - 호모 아키비스트 - 티스토리 (https://yeongunheo.tistory.com/entry/%EC%A3%BC%EA%B8%B0%EC%96%B5%EC%9E%A5%EC%B9%98%EA%B4%80%EB%A6%AC-MMU)
[4] velog - [운영체제] 메모리(Memory) (https://velog.io/@yerimm99/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%ACMemory)