운영체제 - 가상 메모리

가상 메모리(virtual memory)

• 실행 중인 각 프로세스의 기억자원으로 사용할 수 있는 실제 물리 메모리(RAM)와 하드 디스크의 공간
• 프로세스는 실제 물리 메모리의 메모리 주소가 아닌 가상 메모리 주소 사용

Swap memory

• 실제 물리 메모리(RAM)의 용량이 부족할 때 사용되는 하드 디스크 상의 virtual memory의 일부분
• Swapping할 때 사용되는 하드 디스크 상의 virtual memory의 일부분
• 하드 디스크에 존재 but, 메모리의 일부로 MMU에 의해 관리
• 가상 메모리의 크기 : 물리 메모리 + swap 영역

Swapping

• swap out
  • 물리 메모리(RAM)의 용량이 부족할 때 프로세스를 메모리에서 하드 디스크로 일시적으로 이동
• swap in
  • 물리 메모리(RAM)의 용량이 충분해지면 실행을 계속하기 위해 하드 디스크에 있는 프로세스를 다시 메모리로 이동

가상 메모리 분할 방식

• Paging
  • 가상 메모리 : 같은 크기의 page 단위로 분할(고정 분할)됨
  • 물리 메모리 : 같은 크기의 frame 단위로 분할(고정 분할)됨 + 비연속 할당
  • 단점 : 내부 단편화
• Segmentation
  • 가상 메모리 : 가변 크기의 segment 단위로 분할(가변 분할)됨
  • 물리 메모리 : 가변 크기의 segment 단위로 분할(가변 분할)됨 + 비연속 할당
  • Segment : 프로세스 내의 서로 관련있는 영역을 나타내는 논리적인 단위 

Paging

• Page table
  • 가상 메모리의 page와 물리 메모리의 frame의 대응관계를 나타내는 mapping table
  • 각 프로세스는 독립된 가상 메모리 공간을 가지므로 각 프로세스는 하나의 page table을 가짐
  • page 번호 X, frame 번호만 존재
  • CPU에 의해 프로세스가 실행 중 일 때 MMU은 page table을 통해 가상 주소를 물리 주소로 변환

Paging 의 주소 변환

• 가상 주소 표현
  • VA = <P, D>
  • P : page 번호
  • D : page offset(해당 page의 처음 위치에서 해당 주소까지의 거리)
  • m bit CPU의 경우
    • P = m-n bit
    • D = n bit
• 물리 주소 표현
  • PA = <F, D>
  • F : frame 번호
  • D : frame offset
  • m bit CPU의 경우
    • F = m-n bit
    • D = n bit
• 가상 주소를 물리 주소로 변환 : VA =<P,D> -> PA = <F,D>
  • page table을 통해 P에 대응하는 F로 변환하고 page의 크기와 frame의 크기가 같기 때문에 D는 그대로 사용

Paging의 문제점

• 가상 메모리는 page 단위로 분할되므로 page table의 크기가 큼
• Page table 수 또는 page table의 크기가 증가하면 물리 메모리의 OS 영역이 증가
• 물리 메모리가 작으면 page table는 swap 영역으로 옮김

Page table의 크기를 줄이기 위한 방법

• 연관 매핑
• 집합-연관 매핑
• 역 매핑
• 직접 매핑

직접 매핑

• 물리 메모리가 충분할 때 사용
• 각 프로세스의 page table의 전체는 물리 메모리의 OS 영역에 있음
• 장점 - 주소 변환이 빠름
• 단점 - 물리 메모리 낭비

연관 매핑

• 물리 메모리가 충분하지 않을 때 사용
• 각 프로세스의 page table의 전체는 저장 장치의 swap 영역에 있음
• 각 프로세스의 page table의 일부는 물리 메모리의 OS 영역에 있음
• 장점 - 직접 매핑보다 물리 메모리 절약
• 단점 - 직접 매핑보다 주소 변환 느림
• 물리 메모리의 OS 영역에 있는 각 프로세의 page table의 일부는 TLB 또는 연관 레지스터라고 함
• TLB에는 page 번호도 포함
• 주소 변환(가상 주소->물리 주소)
  • 원하는 page 번호가 TLB에 존재 - TLB hit -> TLB를 이용하여 주소 변환
  • 원하는 page 번호가 TLB에 존재X - TLB miss -> swap 영역에 있는 page table를 확인하여 주소 변환

집합 - 연관 매핑

• 물리 메모리가 충분하지 않을 때 사용
• 각 프로세스의 page table의 전체를 같은 크기의 여러 directory(set)을 나눔
  • 각 프로세스의 page table의 전체는 저장 장치의 swap 영역에 있음
  • 각 프로세스의 page table의 일부는 물리 메모리의 OS 영역에 있음
• directory table
  • directory 번호 순서대로 나열되어 있으며 다음과 같은 directory 위치 정보를 가짐
    • directory가 물리 메모리에 있는 경우 - directory의 물리 메모리 상 시작주소
    • directory가 물리 메모리에 없는 경우 - Invalid
• 장점 - 연관 매핑보다 주소 변환 빠름

역 매핑

• frame 번호 순으로 작성되며 각 PTE(page table element)는 PID(process ID)와 page 번호로 구성
• 장점 - 프로세스 수와 상관없이 1개의 inverted page table만 가짐 - 물리 메모리 절약
• 단점 - PID와 page 번호를 모두 검색하므로 주소 변환 느림

구분	Page table의 위치	Page table의 물리 메모리 사용	주소 변환 속도
직접 매핑	물리 메모리	큼	빠름
연관 매핑	물리 메모리, swap 영역	작음	느림
집합 - 연관 매핑	물리 메모리, swap 영역	작음	느림(연관 매핑보다 빠름)
역 매핑	물리 메모리	작음	느림