페이징과 스와핑
on OS
[공룡책 정리] 주메모리의 관리: Chapter 9. Main Memory (Part 2)
페이징이란?
프로세스가 적재되는 물리 주소 공간이 연속적이지 않아도 적재를 허용하는 메모리 관리 기법이다. 연속 메모리 할당 기법에서 발생하는 외부 단편화와 그에따른 압축 작업을 피할 수 있다.
기본 방법
- 프레임 (frame) : 물리 메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것
- 페이지 (page) : 논리 메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것
CPU에서 나오는 모든 주소는 페이지 번호(p)와 페이지 변위(d)로 나누어진다. 페이지 번호는 페이지 테이블(page table)에 접근할 때 사용되며 페이지 테이블은 주 메모리에서 각 페이지가 점유하는 주소를 갖고 있다. 이 페이지의 주소에 페이지 변위를 더하면 원하는 물리 주소를 구할 수 있다.
4B 페이지를 가진 32B 메모리의 페이징 예
페이징 기법 사용 시, 모든 놀고 있는 프레임은 프로세스에게 할당될 수 있기 때문에 외부 단편화가 발생하지 않는다. 그러나 메모리 할당은 항상 프레임의 정수 배로 할당되기 때문에 내부 단편화가 발생한다. 만약 프로세스가 페이지 경계와 일치하지 않는 크기의 메모리를 요구한다면, 마지막 프레임은 전부 할당되지 않는다.
페이지 테이블 만들기
테이블 페이지의 하드웨어 구현은 여러가지 방법으로 될 수 있다.
먼저 페이지의 크기가 작은 경우 CPU 내부에 페이지 테이블을 만들 수 있다. 이 경우 여러개의 레지스터를 이용해 테이블을 만들어 주소 변환 속도가 매우 빠르다. 하지만 테이블의 크기가 매우 제한된다는 단점이 있어 거의 사용되지 않는 방법이다.
크기 제한을 해결하기 위해 대부분의 컴퓨터는 페이지 테이블을 주 메모리에 저장하고 페이지 테이블 기준 레지스터 ( PTBR, Page-Table Base Register )로 하여금 페이지 테이블을 가리키는 방법을 사용한다. 하지만 CPU는 프로세스의 주소에 접근하기 위해서 메모리에 위치한 페이지 테이블에 한 번, 실제 주소에 접근하는데 한 번으로 메모리에 총 2번 접근해야 한다. 따라서 메모리 접근 속도가 두 배로 느려진다는 단점이 있다.
위의 메모리 접근 속도 문제를 해결하기 위해 TLB (Translation Look-aside Buffer)라고 불리는 특수한 소형 하드웨어 캐시를 사용한다. TLB 내의 각 항목은 key(페이지 번호)와 value(프레임 번호)의 두 부분으로 구성된다.
접근하려는 메모리의 페이지 번호가 TLB에서 발견(TLB hit)되는 비율 적중률(hit ratio)이라고 부른다.
예를 들어 메모리 접근 시간을 10ns라고 가정하고 TLB를 이용한 실제 메모리 접근 시간을 한 번 계산해보자.
- 80% hit ratio : 0.80 x 10 + 0.20 x 20 = 12ns
- 99% hit ratio : 0.99 x 10 + 0.01 x 20 = 10.1ns
보호
페이지 테이블의 각 엔트리에는 유효/무효라는 비트가 있다. 이 비트가 유효로 설정되면 그 페이지는 프로세스의 합법적인 페이지이고, 무효로 설정되면 프로세스의 논리 주소 공간에 속하지 않는다. 운영체제는 이 비트를 이용해서 그 페이지에 대한 접근을 허용하거나 또는 허용하지 않을 수 있다.
위 프로그램은 10,468의 주소만을 사용할 수 있다. 페이지의 크기가 2KB 일 때 위와 같이 1,2,3,4,5의 주소는 페이지 테이블을 통해서 정상적으로 매핑되지만, 6,7을 매핑하려고 시도하면 비트가 무효로 설정된 것을 발견해 트랩을 발생시킨다.
공유페이지
페이징 기법을 사용하면 코드를 쉽게 공유할 수 있다. 실행 중 절대로 변하지 않는 재진입 가능 코드(reentrant code)두 개나 그 이상의 processor들이 동시에 같은 코드를 수행할 수 있다. 같은 코드를 실행시키지만 읽기만 하기 때문에 동기화나 데드락같은 문제가 발생하지 않는다.
스와핑이란?
프로세스가 실행되기 위해서는 메모리에 있어야 하지만 프로세스는 실행중에 임시로 예비 저장장치(backup store)로 내보내졌다가 실행을 계속하기 위해 다시 메모리로 돌아 올 수 있다. 이를 이용하면 모든 프로세스의 물리 주소 공간 크기의 총합이 시스템의 실제 물리 메모리의 크기보다 큰 경우에도 동시에 실행이 가능하다.
하지만 전체를 스와핑하는 것은 매우 부담이 크다. 그래서 오늘날 대부분의 OS는 페이지들을 이용해 스와핑을 수행한다. 페이지를 메모리에서 예비 저장장치로 옮기는 작업을 페이지 아웃(page out)이라 하고 다시 예비 저장장치에서 메모리로 옮기는 작업을 페이지 인(page in)이라 한다.