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logical address VS physical address

• logical address (virtual address)
  • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간 / 각 프로세스마다 0번지부터 시작
  • CPU가 보는 주소는 logical address
• physical address
  • 메인 메모리에 올라가는 실제 위치
  • 아래 주소에는 커널, 상위 주소에는 여러 프로그램들이 섞여서 올라가있음
• 주소 바인딩 : logical address를 physical address로 변환

MMU(Memory-Management Unit)

• logical address를 physical address로 맵핑해주는 하드웨어
• 사용자 프로그램, CPU 둘다 logical address를 사용하고 MMU가 그때마다 주소 변환을 해줌
• logical address + base register = physical address
  • base register : 물리적 메모리에서 해당 프로세스의 시작 위치를 저장
  • limit register : 프로그램의 크기를 저장 (논리적 주소의 범위를 결정)

swapping

• 한정된 메모리를 관리하기 위해 사용하는 기법
• 프로세스 전체를 메모리에서 디스크로, 디스크에서 메모리로 내쫓는 것 (swap in/swap out)
• 중기 스케쥴러에 의해 swap out 시킬 프로세스를 선정

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물리적 메모리 할당

• 물리적 메모리 (메인 메모리)를 어떻게 관리할 것인가
• 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용됨
  • 커널 상주 영역 : 인터럽트 벡터와 함께 낮은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역 : 높은 주소 영역 사용
    • 사용자 프로세스 영역의 할당 방법 : contiguous allocation / noncontiguous allocation

contiguous allocation

• 각 프로그램를 메모리에 연속적인 공간에 적재하는 방식 (프로세스 통째로!)
• 고정 분할 방식(fixed partition)
  • 물리적 메모리를 몇 개의 파티션으로 나누고 각 파티션에 하나의 프로그램를 적재
  • 외부 단편화 / 내부 단편화 발생
• 가변 분할 방식(variable partition allocation)
  • 프로그램이 실행될때마다 프로그램의 크기를 고려해서 비어있는 hole (가용 메모리 공간)에 할당
  • 파티션의 크기와 개수는 동적으로 변함
  • 외부 단편화 발생

noncontiguous allocation

• 하나의 프로세스를 잘라서 메모리에 산발적으로 적재
• paging
  • 프로그램의 주소 공간 (논리적 메모리)를 동일한 사이즈의 page 단위로 분할 / 물리적 메모리도 frame 단위로 분할
  • page table : 각 page가 어떤 frame에 올라가있는지 저장 ex) 0번 페이지 - 1번 프레임
  • 내부 단편화 발생
• segmentation
  • 프로그램의 주소 공간 (논리적 메모리)를 의미 단위로 분할 / 서로 다른 크기
  • 외부 단편화 발생

paging

• page table은 메인 메모리에 상주
• 2번의 메모리 접근 (주소 변환을 위한 page table 접근 + 실제 물리적 주소 접근)
• 주소변환을 위한 별도의 캐시 TLB를 두자!
  • TLB는 page table에서 자주 참조되는 entry를 캐싱 / (논리적 페이지, 물리적 페이지) 쌍을 저장
  • TLB hit한 경우는 메모리 접근 1번 / TLB mis한 경우는 메모리 접근 2번
• TLB VS Page Table
  • TLB는 parallel search(테이블 전체를 한번에 쫙)로 해당 페이지의 frame number를 확인
  • page table은 해당 페이지 번호를 배열의 인덱스처럼 사용해서 frame number를 확인

fragmentation (단편화)

• 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용 가능한 메모리가 충분히 존재하지만 프로세스 할당이 불가능한 상태
• 내부 단편화 (internal fragmentation)
  • 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비되는 상황
• 외부 단편화 (external fragmentation)
  • 사용하지 않는 작은 메모리가 중간 중간 존재하여 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황
  • 해결책) compaction!!
  • 사용중인 메모리 영역을 한 곳으로 몰아서 큰 hole을 만드는 방법 / 비용이 많이 듬

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가상 메모리

• 물리적 메모리의 한계를 극복하기 위한 기술 / 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라고 실행 가능
• 실행에 필요한 페이지만 메모리에 그렇지 않은 페이지는 디스크에 저장
• 필요한 페이지만 메모리에 올리기 때문에 더 많은 프로그램 수용 + 빠른 응답 시간 + 메모리 사용량 감소
• page table의 valid bit 사용
  • invalid : 해당 페이지가 물리적 메모리에 없고 디스크에 있는 경우 / 사용되지 않는 주소 영역인 경우
  • 주소 변환시 valid bit = 0 -> 요청한 페이지가 메인 메모리에 없음 = page fault

page fault

• 인터럽트를 통해 해당 페이지를 디스크에서 메인 메모리로 읽어옴
• I/O 작업 (오래 걸림) -> page fault rate을 최소화하는 것이 목표
• page replacement algorithm
  • 메인 메모리가 꽉찬 경우 디스크로 내쫓을 page를 선정하는 알고리즘
  • 곧바로 사용되지 않을 page를 내쫓아야 좋은 알고리즘!
  • FIFO, LRU, LFU ...

Thrashing

• 프로세스의 원활한 수행을 위해서는 최소한의 page가 메인 메모리에 적재되어 있어야함
• 최소한의 page frame을 할당 받지 못하는 경우 프로세스가 수행되는 시간보다 페이지 교체 시간이 더 많아지는 현상
• page fault rate이 매우 높아짐 / CPU utilization이 낮아짐 (요청한 페이지를 계속 I/O하기 때문)
• 해결방안) degree of multiprogramming을 조절 (동시에 너무 많은 프로그램을 실행하지 않음) -> working set

working set

• locality에 기반하여 프로세스가 일정 시간동안 원활하게 수행되기 위해 한꺼번에 메모리에 올라와 있어야하는 페이지들의 집합
• working set 전체가 메모리에 올라오고 그렇지 않으면 모든 frame을 반납
• degree of multiprogramming을 조절하고 thrashing을 방지할 수 있음