메모리(주기억장치) 관리 (Main Memory Management)

김민우·2022년 5월 18일

메모리 운영체제

메모리

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📌 메모리(기억장치)의 종류

메모리 구조는 I/O Bottleneck을 해소하기 위해 계층구조를 가지게 됨

레지스터
- HW(CPU)가 관리
- 컴퓨터의 프로세서 내에서 자료를 보관하는 아주 빠른 기억 장소
- 일반적으로 현재 계산을 수행중인 값을 저장하는 데 사용

캐시
- HW가 관리
- 데이터나 값을 미리 복사해 놓는 임시 장소
- 캐시의 접근 시간에 비해 원래 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우나 값을 다시 계산하는 시간을 절약하고 싶은 경우에 사용

메인 메모리
- SW(OS)가 관리
- 메인메모리 = 주기억장치 = RAM (Random Access Memory)
- RAM은 DRAM과 SRAM이 있는데 주기억장치는 주로 DRAM을 의미 (SRAM은 캐시나 레지스트리)
- 컴퓨터의 CPU가 현재 처리중인 데이터나 명령만을 일시적으로 저장하는 휘발성 메모리

보조기억장치
- SW가 관리
- 사용자가 사용하고자 하는 데이터와 프로그램을 저장
- 전원을 끄더라도 저장된 데이터나 정보가 날아가지 않는 비휘발성 메모리
- 하드디스크, SSD 등

- 메모리(기억장치) 계층구조

Block
- 보조기억장치와 주기억장치 사이의 데이터 전송 단위
- Size: 1~4 KB
Word
- 주기억장치와 레지스터 사이의 데이터 전송 단위
- Size: 16~64 bits

📌Address Binding

프로그램의 논리 주소를 실제 메모리의 물리 주소로 매핑(mapping)하는 작업
Binding의 시점에 따른 구분
- Compile time binding
- Load time binding
- Run time binding

- Compile time binding

프로세스가 메모리에 적재될 위치를 컴파일러가 알 수 있는 경우
- 위치가 변하지 않음
프로그램 전체가 메모리에 올라가야 함

- Load time binding

메모리 적재 위치를 컴파일 시점에서 모르면, 대체 가능한 상대 주소를 생성
적재 시점(Load time)에 시작 주소를 반영하여 사용자 코드 상의 주소를 재설정
프로그램 전체가 메모리에 올라가야 함

- Run time binding

Address binding을 수행시간까지 연기
- 프로세스가 수행 도중 다른 메모리 위치로 이동할 수 있음
HW의 도움이 필요
- MMU(Memory Management Unit)
대부분의 OS가 사용

📌 Dynamic Loading

모든 루틴(Ex. Function)을 교체 가능한 형태로 디스크에 저장
실제 호출 전까지는 루틴을 적재하지 않음
- 메인 프로그램만 메모리에 적재하여 수행
- 루틴의 호출 시점에 address binding을 수행
장점:
- 메모리 공간의 효율적 사용

📌 Swapping

프로세서 할당이 끝나고 수행 완료 된 프로세스는 swap-device로 보내고 (Swap-out)
새롭게 시작하는 프로세스는 메모리에 적재 (Swap-in)

✨ Fragmentation (단편화)

Internal Fragmentation (내부 단편화)
- Partition의 크기가 Process의 크기보다 클 때 메모리 낭비

External fragmentation (외부 단편화)
- 남은 메모리의 크기가 프로세스의 크기보다 크지만, 연속된 공간이 아니여서 메모리가 낭비

📌 Memory Allocation

- Continuous Memory Allocation (연속할당)

: 프로세스 (Context)를 하나의 연속된 메모리 공간에 할당하는 정책
ex. 프로그램, 데이터, 스택 등

메모리 구성 정책에서 고려해야 할 요소
- 메모리에 동시에 올라갈 수 있는 프로세스 수 (Multiprogramming degree)
- 각 프로세스에게 할당되는 메모리 공간 크기
- 메모리 분할 방법

- Uni-programming

하나의 프로세스만 메모리에 존재(Multiprogramming degree = 1)
가장 간단한 메모리 관리 기법

문제점 1
- 프로그램의 크기가 메모리 크기보다 클 경우에는?

해결법
- Overlay structure
- 메모리에 현재 필요한 영역만 적재
- 사용자가 프로그램의 흐름 및 자료구조를 모두 알고 있어야 함

문제점 2
- 커널 보호

해결방법
- 경계 레지스터 (boundary register 사용)

하지만, 남은 공간이 낭비됨

Uni-Programming은 Low system resource utilzation과 Low system performance의 문제점을 가지게 됨.
이를 해결하기 위해 Multi-programming이 존재

- Fixed Partition (Multi Programming)

메모리 공간을 고정된 크기로 분할, 미리 분할되어 있음
- 각 프로세스는 하나의 partition(분할)에 존재
(Process : Partition = 1 : 1)
- Partition의 수 = K (Multiprogramming degree = K)
- 자료구조의 예

- 커널 및 사용자 영역 보호
Summary
- 고정된 크기로 메모리에 미리 분할
- 메모리 관리가 간편함 (Low Overhead)
- 시스템 자원이 낭비 될 수 있음
- Internal/External Fragmentation