가상 메모리
페이징은 프로세스의 물리적 주소 공간이 연속적일 필요가 없는 메모리 관리 기법입니다. 페이징은 **외부 단편화(external fragmentation)**와 압축(compaction) 문제를 해결합니다. 이 기법은 운영체제와 컴퓨터 하드웨어의 협력으로 구현됩니다.
기본 방법 (Basic Method)
페이징은 다음과 같이 메모리를 나눕니다.
물리 메모리: **프레임(frames)**이라 불리는 고정된 크기의 블록으로 나뉩니다.
논리적 메모리: **페이지(pages)**라 불리는 동일한 크기의 블록으로 나뉩니다.
프로세스가 실행될 때, 해당 페이지들은 보조 저장 장치에서 사용 가능한 메모리 프레임으로 로드됩니다.
주소 변환:
CPU가 생성하는 모든 주소는 **페이지 번호(p)**와 **페이지 오프셋(d)**의 두 부분으로 나뉩니다.
페이지 번호: 프로세스별 **페이지 테이블(page table)**의 인덱스로 사용됩니다.
페이지 오프셋: 페이지 내의 특정 위치를 나타냅니다.
페이지 테이블은 물리 메모리의 각 프레임에 대한 시작 주소를 포함합니다. **MMU(Memory-Management Unit)**는 논리적 주소를 물리적 주소로 변환할 때, 페이지 번호를 페이지 테이블의 인덱스로 사용하여 해당 프레임 번호를 찾고, 이를 페이지 오프셋과 결합하여 물리적 메모리 주소를 생성합니다.
페이지 크기:
페이지 크기는 하드웨어에 의해 결정되며, 보통 2의 거듭제곱(4KB에서 1GB)입니다. 페이지 크기가 2n 바이트이고 논리적 주소 공간의 크기가 2m이라면, 논리적 주소의 상위 (m−n) 비트는 페이지 번호를, 하위 n 비트는 페이지 오프셋을 나타냅니다.
단편화:
페이징은 외부 단편화 문제를 해결하지만, 페이지의 마지막 프레임이 완전히 채워지지 않을 경우 **내부 단편화(internal fragmentation)**가 발생할 수 있습니다.
프레임 관리:
운영체제는 시스템 전체의 **프레임 테이블(frame table)**을 유지하며, 각 프레임이 할당되었는지, 사용 가능한지, 그리고 할당되었다면 어느 프로세스의 어느 페이지에 할당되었는지 추적합니다.
하드웨어 지원 (Hardware Support)
페이지 테이블을 구현하는 방식은 효율성에 큰 영향을 미칩니다.
하드웨어 레지스터: 페이지 테이블이 작을 경우, 고속 하드웨어 레지스터로 구현할 수 있어 주소 변환이 매우 효율적입니다.
메인 메모리: 페이지 테이블이 클 경우, 메인 메모리에 저장하고 **페이지 테이블 베이스 레지스터(PTBR)**가 페이지 테이블을 가리키게 합니다. 그러나 이 방식은 메모리 접근 속도를 두 배로 느리게 만듭니다(페이지 테이블 접근 1회 + 실제 데이터 접근 1회).
TLB (Translation Look-Aside Buffer): 메모리 접근 속도 저하를 해결하기 위해, TLB라는 작고 빠른 하드웨어 캐시가 사용됩니다.
TLB hit: CPU가 생성한 페이지 번호가 TLB에 있으면, 프레임 번호를 즉시 얻어 메모리에 접근합니다.
TLB miss: 페이지 번호가 TLB에 없으면, 메인 메모리에 있는 페이지 테이블에 접근하여 프레임 번호를 얻습니다. 이후 해당 항목을 TLB에 추가합니다.
TLB 효율성: TLB의 효율성은 **적중률(hit ratio)**에 따라 달라집니다. TLB는 **주소 공간 식별자(ASID)**를 사용하여 문맥 교환 시 TLB를 전체적으로 지우지 않고 여러 프로세스의 항목을 동시에 포함할 수 있습니다.
보호 (Protection)
페이징 환경에서의 메모리 보호는 다음과 같이 구현됩니다.
보호 비트(Protection Bits): 페이지 테이블의 각 항목에 있는 보호 비트로 구현됩니다. 이 비트는 페이지에 대한 읽기(read), 쓰기(write), 실행(execute) 등의 접근 권한을 정의합니다. 하드웨어는 모든 메모리 참조 시 이 비트를 확인하여 권한 위반 시 트랩(trap)을 발생시킵니다.
유효-무효 비트(Valid-Invalid Bits): 페이지 테이블 항목에는 페이지가 프로세스의 논리적 주소 공간에 속하는지 여부를 나타내는 유효-무효(valid-invalid) 비트가 있습니다. 이 비트가
invalid로 설정된 페이지에 접근하면 하드웨어 트랩이 발생합니다.
페이지 공유 (Shared Pages)
페이징의 중요한 장점 중 하나는 페이지 공유가 가능하다는 것입니다.
재진입 가능 코드(Reentrant Code): 실행 중에 변경되지 않는 코드인 재진입 가능 코드(pure code)를 공유할 수 있습니다. 여러 프로세스가 동시에 실행할 수 있습니다.
공유 방식: 시스템 라이브러리(libc)와 같이 일반적으로 사용되는 코드는 물리 메모리에 한 번만 적재하고, 여러 프로세스의 페이지 테이블이 동일한 물리적 페이지를 가리키도록 매핑하여 메모리 사용을 절약할 수 있습니다. 동적 연결 라이브러리(DLLs)도 이 방식을 사용하여 구현됩니다.
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