운영체제 9. 가상 메모리 (2)

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Virtual Storage Methods

이번 장에서는 실제로 운영체제들이 사용하는 virtual memory system 그 중에서 Paging system을 알아본다.

Paging system

Swap device에 있는 블록들이 하나의 프로세스가 되는 것이다. 그리고 이 프로세스를 같은 크기로 나눈 것이 페이지이다.

그리고 나누어진 페이지들 중에서 실제로 사용할 페이지들이 메모리에 올라가게 된다. 이때, 페이지들은 Non-continuous 하게 메모리에 적재되게 된다.

그리고 Non-continuous allocation을 page 크기로 나눈 것을 Paging System 이라고 한다.

제어판 -> 시스템 -> 고급 시스템 정보 -> 고급 -> 성능 옵션 -> 고급 을 들어가면 가상 메모리 부분에 페이징 파일이 명시적으로 보인다. 즉, windows는 실제로 페이징 시스템을 사용한다.

이 가상 메모리를 들어가면 우리가 swap device를 어떤 드라이브로 설정할 것인지, 크기는 어떻게 설정할 것인지를 제어할 수 있다.

Address Mapping

block mapping과 거의 유사하다.

Virtual address : v = (p, d). (block mapping에서는 v = (b, d))
- p : page number
- d : displacement(offset)
Address mapping
- PMT(Page Map Table)을 사용. (block mapping에서는 BMT(Blocdk Map Table)을 사용)
Address mapping mechanism
- Direct mapping (직접 사상). (block mapping과 거의 유사)
- Associative mapping (연관 사상)
  - TLB (Translation Look-aside Buffer)
- Hybrid direct / associative mapping

Page Map Table (PMT)
- Page number : 페이지 넘버
- residence bit : 메모리에 적재되어 있는가?
- Page frame number : page frame 번호 = 메모리 어디에 적재되어있는가?
- Secondary storage address : 프로세스(=페이지들)은 모두 swap device에 저장되어있다. 이때, swap device의 어디에 저장되어있는가?

Direct Mapping

Virtual address v = (p, d)로 이루어진다.

커널 안에 있는 PMT에서 해당 page number p를 보고 residence bit를 확인한다(=메모리에 적재되어있는지를 확인한다).

이때, PMT가 저장되어있는 기본 주소 b를 알고있다고 가정한다. 그러면 기본 주소 b + (p*entrySize = p*PMT의 줄 수)를 계산하면 우리가 원하는 entry를 찾아갈 수 있다.

만약 residence bit가 1이라면 (= 해당 페이지가 메모리에 적재되어있다면) 몇 번째 page frame에 있는지를 나타내는 page frame number p'이 주어진다.

[p' * pageSize(=하나의 페이지 크기) = 실제 메모리 시작 주소] + d(시작 위치로부터 얼마나 떨어져있는가)를 계산하면 우리가 원하는 real address를 찾아갈 수 있다.

Direct Mapping 과정을 정리하면 다음과 같다.

해당 프로세스의 PMT가 저장되어 있는 주소 b에 접근
해당 PMT에서 page p에 대한 entry를 찾음
- p의 entry 위치 = b + p * entrySize
찾아진 entry의 존재 비트 검사
1. Residence bit = 0인 경우 (page fault라고 부름. 페이지를 읽는데 실패했다는 뜻), swap device에서 해당 page를 메모리로 적재한 다음 PMT를 갱신한 후 3-2 단계를 수행
2. Residence bit = 1인 경우, 해당 entry에서 page frame 번호 p'을 확인
Page frame과 가상 주소의 변위 d를 사용하여 실제 주소 r 형성
- r = p' * pageSize + d
실제 주소 r로 주 기억장치에 접근

작업 관리자 -> 성능 -> 리소스 모니터를 들어가보면 자원의 상세 정보를 볼 수 있다.

문제점
- 메모리 접근 횟수가 2배
  - 우리가 원하는 메모리 영역 r에 접근하기 위해서 main memory에 있는 커널에서 PMT를 보는데 1번 + 그 다음 r에 접근하는데 1번 = 2번 접근한다.
  - 성능 저하 (Performance degradation)
- PMT를 위한 메모리 공간 필요 = 메모리 공간의 overhead
해결 방안
- Associative mapping (TLB)
- PMT를 위한 전용 기억장치(공간) 사용
  - Dedicated register or cache memory
- Hierarchical paging
- Hashed page table
- Inverted page table

Associative Mapping

TLB(Translation Look-aside Buffer)에 PMT 적재
- Associative high-speed memory = PMT를 탐색하기 위한 전용 HW
PMT를 병렬 탐색
Low overhead, high speed
Expensive hardware (비싸다 = 작다)
- 큰 PMT를 다루기가 어려움

PMT를 TLB에 넣어놓는다. 이때 virtual address의 p가 주어지면 PMT에서 병렬로 동시에 page number를 탐색을 해서, page frame number를 한 번에 출력한다.

하드웨어가 해결해주므로 굉장히 빠르고, 메모리가 아닌 TLB에서 해결하기 때문에 메모리 접근 횟수가 줄어들고 그로인해 overhead가 줄어들게 된다.

즉, address mapping을 굉장히 빠르게 할 수 있다.

Hybrid Direct / Associative Mapping

즉, TLB에 해당 page number가 있으면 바로 p' * pageSize + d를 계산해서 real address r에 접근한다.

만약 TLB에 해당 page number가 없으면 direct mapping을 써서 real address r에 접근한 다음, 해당 정보를 TLB에 저장한다.

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