메모리의 주소

논리적 주소

• 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
• 각 프로세스마다 0번지부터 시작
• CPU가 보는 주소는 논리적 주소이다.
• CPU는 하드웨어라 물리적 주소를 볼 것 같지만,

물리적 주소

• 메모리에 실제 올라가는 위치

주소 바인딩

• 주소를 결정하는 것 (주소 변환)
• 논리적인 주소를 물리적인 주소로 변환하는 시점이 언제인가?
• 변수명 -> 논리적 주소 -> 물리적 주소

주소 바인딩 Address Binding

Compile time binding

• 컴파일 시 물리적 메모리 주소가 알려짐
• 시작 위치 변경시 재컴파일
• 컴파일 시 논리적 주소와 물리적 주소가 정해짐.
• 컴파일러는 절대코드(absolute code)생성

Load time binding

• 프로그램 실행 시 Loader 책임 하에 물리적 메모리 주소 부여
• 컴파일러가 재배치가능코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능
• 항상 특정 위치에 올라가야하는 것이 아닌, 비어있는 위치에 올라갈 수 있는 것

Execution time binding(=Run time binding)

• 프로그램 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리상 위치를 옮길 수 있음
• CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검 (address mapping table) 그때그때 주소를 변환
• 그러기 위해 하드웨어적인 지원이 필요하다

CPU가 바라보는 주소는 logical address다.

논리적 주소가 실행되어서 물리적 주소가 되더라도,
인스트럭션 안에 있는 논리적 주소는 그대로 있다.
메모리에 올라갈 때 시작 위치는 바뀌지만, 컴파일된 코드 자체에 들어가있는 주소는 고스란히 남아있다.

MMU (Memory-Management Unit)

• 주소 변환을 위한 하드웨어. 논리적 주소를 물리적 주소로 변환한다.
• 레지스터 2개를 통해 주소변환을 한다

• 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register의 값을 더한다
• user program은 논리적 주소만을 다룬다. (실제 물리적 주소를 볼 수 없으며 알 필요도 없음)

Dynamic Loading

• 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라, 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load 하는 것
• memory utilization의 향상
• 오류처리루틴과 같이 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용하다
• 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능 (OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)

Overlays

• 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
• 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
• 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현
• 작은 공간의 메모리를 사용하단 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현

Swapping

• 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store로 쫓아내는 것

backing store (=swap area)

• 디스크 : 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간

swap in / swap out

• 일반적으로 중기 스케줄러(swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정
• priority based CPU scheduling algorithm
  • priority가 낮은 프로세스를 swapped out시킴
  • priority가 높은 프로세스를 메모리에 올려놓음
• Compile time 혹은 load time binding에서는 원래 메모리 위치로 swap in해야 함
• Execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음
• swap time은 대부분 transfer time(swap되는 양에 비례하는 시간)임

Dynamic Linking

• linking = 여러 군데 존재하는 파일들을 묶어서 하나의 실행파일을 만드는 과정
• Linking을 실행 시간까지 미루는 기법

Static linking

• 라이브러리가 프로그램의 실행파일 코드에 포함됨
• 실행 파일의 크기가 커짐
• 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비

Dynamic Linking

• 라이브러리가 실행시 연결됨
• 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
• 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
• 운영체제의 도움이 필요
  

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Allocation of Pysical Memory

• 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용
  

OS 상주 영역

• intterupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용

사용자 프로세스 영역

• 높은 주소 영역 사용

사용자 프로세스 영역의 할당 방법

Contiguous allocation, 연속할당

각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것

• Fixed partition allocation
• Variable partition allocation

Noncontiguous allocation, 불연속 할당

하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음

• Paging
• Segmentation
• Paged Segmentation

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Contiguous allocation, 연속할당

Fixed partition allocation, 고정분할 방식

• 물리적 메모리를 미리 몇 개의 영구적 분할로 나눔
• 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
• 분할당 하나의 프로그램 적재
• 융통성이 없음
  • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정됨
  • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
• internal fragmentation 발생 (external fragmentation도 발생)

Variable partition allocation, 가변분할 방식

• 프로그램의 크기를 고려해서 할당
• 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
• 기술적 관리 기법 필요
• External fragmentation 발생

Hole

• 가용 메모리 공간
• 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
• 프로세스가 도착하면 수용 가능한 hole을 할당
• 운영체제는 다음의 정보를 유지: 할당 공간, 가용공간(hole)

Dynamic Storage-Allocation Problem : hole 할당 방식

First-fit

• 사이즈가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당

Best-fit

• 사이즈가 n 이상인 것 중 가장 작은 hole을 찾아서 할당
• hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 Hole의 리스트를 탐색해야 함
• 많은 수의 아주 작은 Hole들이 생성됨

Worst-fit

• 가장 큰 hole에 할당
• 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
• 상대적으로 아주 큰 Hole들이 생성됨

first-fit(오버헤드가 적음)과 best-fit(공간 낭비를 줄임)이 worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적인 것으로 알려짐

compaction

• 외부조각 문제를 해결하는 방법
• 사용중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
• 매우 비용이 많이 드는 방법임
• 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법
• compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다

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Noncontiguous allocation, 불연속 할당

• 프로세스의 주소 공간을 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 페이지를 저장하는 방식이다.
• 각 프로세스의 주소 공간 전체를 물리적 메모리에 한꺼번에 올릴 필요가 없고, 일부는 backing storage, 일부는 물리적 메모리에 혼재하는 것이 가능하다.
• 물리적 메모리를 페이지와 같은 동일한 크기의 프레임으로 미리 나누어 둔다.
• 메모리에 올리는 단위가 동일한 크기의 페이지 단위이므로 외부 조각이 발생하지 않고, 동적 메모리 할당 문제도 고려할 필요가 없다.
• 페이지 테이블을 사용하여 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 작업이 필요하다.
• 프로그램의 크기가 항상 페이지 크기의 배수가 된다는 보장이 없으므로 프로세스의 주소 공간 중 제일 마지막에 위치한 페이지에서는 내부 조각이 발생할 수 있다.