CS 정리 | OS | 7. 메모리 관리 (2) | 비연속 할당 (페이징과 세그멘테이션) | kocw 반효경 교수님

Konseo·2023년 9월 19일

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메모리의 비연속 할당 기법에 해당하는 페이징과 세그멘테이션에 대해 배워보자 ! 🕵🏼‍♀️ 💭

Page table은 main memory 에 상주
Page-table base register (PTBR)가 page table을 가리킴
Page-table length register (PTLR)가 테이블 크기를 보관
모든 메모리 접근 연산에는 2번 의 memory access 필요 (속도 저하)
page table 접근 1번, 실제 data/instruction 접근 1번
속도 향상을 위해
- associative register 혹은 translation look-aside buffer (TLB)라 불리는 고속의 lookup hardware cache 사용
  - TLB hit / TLB miss
  - TLB는 page table의 일부를 담고 있고, logical memory와 physical memory를 쌍으로 갖고 있음 (page table의 경우 idx가 곧 logical memory를 나타냈기 때문에 인덱스에 대응하는 physical memory만 갖고 있었음)
  - 따라서 TLB는 모든 테이블을 순차적으로 탐색하며 현재 logical memory에 대응하는 쌍이 있는지 찾아봐야하는데, 시간이 오래 걸리므로 병렬적으로 탐색할 수 있어야함 -> HW의 도움 필요 -> associative register

parallel search가 가능
page table 중 일부가 associative register에 보관되어 있음
만약 해당 page#이 associative register에 있는 경우 곧바로 frame을 얻음
그렇지 않은 경우 main memory에 있는 page table로 부터 frame을 얻음
TLB는 context switch할 때 flush됨 (remove old entries)
- 프로세스 마다 page table를 갖고 있기 때문임

TLB 접근 시간 = 엡실론
메모리 접근 시간 = 1
Hit ratio = 알파 (associative resigster에서 찾아지는 비율)
- hit는 메모리 1번, miss는 메모리를 2번 접근하는 것을 알 수 있음

logical address (32비트 주소 체계, 4K page 크기)의 구성
- 20bit의 page number
- 12bit의 page offset
  - 4K를 각각 가리킬 수 있어야함. 2^2*2^10=2^12이므로 offset을 나타내기 위해선 12 bit가 필요함
page table 자체가 page로 구성되기 때문에 page number는 다음과 같이 나뉜다
- 내부 페이지 테이블은 각각 4K이고, 각 엔트리는 4B이므로 1K개 존재. 이를 각각 가리킬 수 있어야하므오 10 bit가 필요
- 즉, P1은 outer page table의 idx이고, P2는 outer page table의 page에서의 변위이다.

address space가 더 커지면 다단계 페이지 테이블 필요
각 단계의 페이지 테이블이 메모리에 존재하므로 logical address의 phhysical address 변환에 더 많은 메모리 접근이 필요함
TLB를 통해 메모리 접근 시간을 줄일 수 있음
4단계 페이지 테이블을 사용하는 경우

Page table의 각 entry 마다 아래의 bit를 둔다
Protection bit
- page에 대한 접근 권한 (write/read/read-only)
  - ex. code로 이루어진 page는 read만 가능함
Valid/Invalid bit
- valid : 해당 주소의 frame에 그 프로세스를 구성하는 유효한 내용이 있음을 뜻함 (접근 허용)
- invalid : 해당 주소의 frame에 유효한 내용이 없으을 뜻함 (접근 불허)

기존의 page table이 매우 큰 이유
- 모든 process 별로 그 logical address에 대응하는 모든 page에 대해 page table entry가 존재
- 대응하는 page가 메모리에 있는 아니든 간에 page table에는 entry로 존재
역방향(뒤집힌) page table
- page frame 하나 당 page table에 하나의 entry를 둔 것 (system-wide)
- 각 page table entry는 각각의 물리적 메모리의 page frame이 담고 있는 내용 표시 (pid,p)
- 단점
  - 테이블 전체를 탐색해야 함
- 조치
  - Associative register 사용 (expensive)

동일한 프로그램에 대한 프로세스가 위와 같이 3개 생성되었을 때 code영역의 page는 동일한 내용을 담고 있는 페이지이므로 중복되는 문제가 발생한다.
shared code
- Re-entrant Code (=Pure code)
- 조건 1: read-only로 하여 프로세스 간에 하나의 code에만 메모리에 올림
- 조건 2: shared code는 모든 프로세스의 logical address space에서 동일한 위치에 있어야 함
- shared memory와는 전혀 다른 개념임 ❌

의미(code, data, stack) 단위인 여러 개의 segment로 구성
- 작게는 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 세그먼트로 정의
- 크게는 프로그램 전체를 하나의 세그먼트로 정의 가능
- 일반적으로는 code, data, stack 부분이 하나씩의 세그먼트로 정의됨

segment는 다음과 같은 logical unit 들임

main()
function
global variables
stack
symbol table, arrays

logical address는 다음의 두 가지로 구성됨
- segment-number
- offset
segment table
- 각 테이블 entry
  - base : starting physical address of the sement
  - limit - length of the sement
- Segment-table base register (STBR)
  - 물리적 메모리에서의 segment table의 위치
- Segment-table length register (STLR)
  - 프로그램이 사용하는 segment의 수
위 그림과 같이 segment table은 limit 변수가 추가됨 (segment는 각각 크기가 다르기 때문에 그 길이를 알고 있어야 하기 때문)
protection
- 각 세그먼트 별로 proetection bit가 있음
- Each entry
  - valid vit = 0, illegal segment
  - Read/Write/Execution 권한 bit
Sharing
- shared segment
- same segment number