Operating System - Address Space[Memory Virtualzation](4)

기존 OS

--> 메모리에 한 프로세스만 로드할 수 밖에 없었다

--> 추상화 과정 없음, 한 프로세스는 모든 메모리를 한번에 차지

--> 낮은 cpu utilization과 효율성

--> Expensive Machines, But low utilization

 

Multiprogramming and Time sharing

--> 여러 개의 프로세스를 메모리에 로드가능

--> 한 프로세스를 잠깐씩 수행

--> 메모리 내 프로세스를 전환

--> utilization과 efficiency를 향상

--> 하지만 protection issue가 중요해졌다

--> 프로세스가 메모리 내 다른 공간에 엑세스하는 문제생길 수

--> 각 프로세스가 어디에 있고, 어떻게 수행?? --> 관리의 필요성 생김

 

Virtual Memory

--> 메모리는 충분치 않다

--> 메모리가 얼마나 필요? --> 어플리케이션 구동을 위한 최소의 메모리가 얼마나 되나?

--> "많이 쓸 것 같은 것"을 올려야지 라는 생각 --> Locality

 

메모리에 엑세스 하는 것을 utilizing

--> 메모리 엑세스는 순차적으로(sequentially)

--> 메모리 엑세스는 locality라는 property가짐

 --> Temporal Locality와 Spatial Locality

 

Locality

--> Locality : 프로그램은 최근에 사용한 주소나, 최근 사용한 주소의 주변에 있는 데이터나 명령어들을 재사용하는 경향이 있다

--> Temporal Locality : 최근에 참조된 명령 또는 데이터는 재사용될 확률이 높다

--> Spatial Locality : address x를 메모리 주소를 참조하였다면 이후 address x 주변의 주소를 참조할 가능성이 높다

 

Temporal Locality, Spatial Locality

자주 update하는 값 i는 temporal, 배열 a[i]는 spatial locality

Data : Temporal하게 sum에 접근 / Spatial하게 a[i] 배열에 접근(a[i] 참조하면 그 주변 a[i+1]의 이후 참조가능성이 높은)

Instructions : Temporal하게 루프를 돈다 / Spatial하게 각 명령을 참조

 

Virtual Memory

--> 주소공간은 abstraction하다 --> 즉, 무한대라고 생각하고 있다는 거

Hide all physical aspects of memory from users

--> 메모리는 논리적으로 제한이 없다

 

Address Space : OS에 의해 제공되는 물리적 메모리의 추상적 표현

--> 주소공간은 모든 실행중인 프로세스를 보유하고 있음

--> 프로그램 코드, 힙, 스택 등등

--> code와 data가 있는 영역은 fix됨, heap과 stack은 dynamic한 영역

--> dynamic? 효율적 사용위함

하지만 실제로는 프로세스가 전체 메모리에 포함되진 않는다

--> 그렇기에 추상화는 메모리 가상화를 필요로

Logical address - CPU에 의해 생성된 주소

Physical address - 메모리 유닛이 본 주소

Address Space

- code / heap / stack

코드 : 명령어들을 포함하는 곳

힙 : 메모리를 Dynamically하게 분배 - C언어에서 malloc에 해당 / 객체지향언어에선 new

스택 : 주소나 값을 저장한다, 지역변수를 저장함

Memory Virtualization의 장점

 - 프로그래밍에서의 사용 용이성

 

 - Transparency

 --> 프로그램은 메모리가 virtualized된 것을 알지 못한다

 

 - Utilization : 시간과 공간의 사용에 있어 메모리 효율성

 --> Time : 성능에 부정적인 영향 미치지 않음

 --> Space : 가상화로 최소화된 공간만 차지

 --> 이러한 효율성을 위해 OS는 하드웨어의 도움 필요 ex. 시간 효율성을 위한 TLB

 

 - Protection : 프로세스 및 OS에 대한 격리 보장

 --> 다른 프로세스 또는 OS로 부터 프로세스 보호

 --> 결과적으로 프로세스간 격리

 --> 메모리 공유에도 적합

 

Memory Virtualization --> 프로그램에 무한의 메모리 크기를 주는 일루젼을 제공하는 것 --> 어떻게?

--> Address Translation을 통해서 --> hardware의 물리적 주소 변환 / 하드웨어에 의해 가상주소를 물리주소로 변경, OS가 정확한 주소 번역으로 관리

--> 하드웨어의 도움이 있어야만 Memory Virtualization에서의 효율성과 관리가 달성된다

--> ex. registers, TLBs, page-table등을 통해서

 

Address Translation --> 하드웨어는 Virtual address를 physical address로 변환한다

OS는 하드웨어 셋업을 위해 도움

 

Memory Hierarchy? 서로 다른 성능, 속도, 용량을 잘 체계화 해서 사용자에게 좋은 성능에 큰 용량의 메모리를 제공하는 것과 같은 illusion 제공하기 위해 분리해둔 메모리 계층

 

코드들 --> Instruction 영역(text영역이라고도 함)

변수들 --> 데이터 영역

힙, 스택 --> 다이나믹하게 할당(ex. malloc()) - Dinamically Managed Memory라는 영역

 

만약 N bit 아키텍쳐에서,

주소 : 2^N bit - 1 / 용량 : 2^N Byte

Virtual Memory --> 각각 주소를 가진 배열과 같은 것

 

ex. 32bit 아키텍쳐

--> 명령어도 32bit, 4Byte --> 메모리 주소도 32bit, 4Byte로 되어있다

--> 32bit 주소 개수? --> 2^32 --> 하나의 주소가 1byte가질 수 있기에 virtual memory size는 2^32 Byte!

--> 4기가바이트

--> 이러한 32비트 아키텍쳐에서 Address Space? 프로세스 당 하나씩 32비트 이므로 4GB의 Address Space가진다(물론 virtual memory)

--> Physical memory가 4GB씩 차지되는 건 아니다 --> 부분부분 올라와 있을 뿐, 하지만 어느 부분인지는 알고 있어야 물리적 메모리에 접근해 데이터를 가져와 연산 가능 --> 즉, Address Space 상 주소는 Logical Address, 그것을 Physical Address로 전환하는 것이 OS의 역할

 

Address Translation --> 논리적 주소에서 물리적 주소로의 변환

--> Logical Address는 CPU가 생성시키는 것이고 Physical Address는 Dram에 있는 메모리 --> OS가 개입해 최적화 한다

 

Address Translation을 하기 위한 가정

--> 1. Address Space는 물리적 메모리에 연속적으로 할당된다

--> 2. Address Space(논리적 메모리)의 크기는 물리적 메모리 크기보다 적어야한다

--> 3. 각 Address Space는(각 프로세스 당) 같은 크기

Address Space Relocation

--> 프로그램의 측면에서, 주소공간은 0부터 시작

--> memory virtualization 위해서 OS는 프로세스를 physical memory 어딘가에 저장하고자 함 --> transparent하게 relocate하는 방법? / virtual address 공간이 0부터 시작한다는 illusion 제공하는 방법?

Dynamic(Hardware-based) Relocation

--> 프로그램이 시작 시, OS는 물리적 메모리에 프로세스가 어디에 위치할 지 결정한다

--> base register을 설정하고, 모든 virtual address는 bound보다 크지 않고, 음수가 될 수 없다

물리적 공간 어느 곳에나 배치가능 --> 프로세스가 자체 주소에만 접근가능하게

전제조건? OS의해서만 base/bounds 레지스터는 액세스 권한 있음

 

OS가 해야하는 것 --> 논리적 메모리 0 사용했을 때 물리적 메모리 32KB에 있다는 것을 알고있어야 하는 것, 시행하는 것

--> 이를 위해 프로세스마다 base register, bound register가지고

--> 작은 용량의 레지스터를 두고 base - 시작주소 / bound - 사이즈 관리

--> 만약 논리적 메모리 주소가 100번이면 물리적 주소는 32KB + 100

--> 논리적 주소는 당연히 그 크그인 바운드를 넘어서지 않아야

 

힙과 스택사이의 영역

--> 힙과 스택이 다이나믹 영역이기에 공간이 바뀔 수 있다

--> 힙, 스택이 증가하는 방향은 안쪽으로, 즉 힙은 아래로, 스택은 위로 이동할 수 있는 가용적 영역

 

하드웨어 지원

--> 하드웨어는 다른 프로세스가 생성될 때 OS가 변경할 수 있도록 base/bound 레지스터를 수정하기 위한 special previleged를 제공해야 한다

--> CPU는 사용자 프로그램이 불법적으로 메모리에 접근하려 할 때 exception을 생성해야

 

Memory Management Unit - MMU

--> 전기하드웨어 회로로 구성된 CPU의 일부

메모리 계층(memory hierarchy)

: 속도가 빠르면서, 큰 용량의 메모리는 현재 없다 - 계층에 맞게 - 서로 다른 특성의 메모리를 계층화 시켜서, 사용자가 성능도 좋고 용량도 큰 메모리를 가지고 있는 것 같은 환상을 누리게

--> 메모리 만드는 기술, locality를 활용해 구현

 

 Memory Virtualization과 관련된 OS이슈 네 가지 --> OS는 base/bound 접근방식 구현을 위해서 조치를 취해야

--> 1. 프로세스 실행 시 : 물리적 메모리의 주소공간을 찾아야

--> 2. 프로세스 종료 시 : 사용을 위한 메모리 회수

--> 3. context switch 발생 시 : base/bound 짝을 저장해야

프로세스가 만약 bound를 넘어서 접근하려 한다

--> 4. bound 외부에 접근 시 exception

 

OS 이슈 : 프로세스 시작 실행 시

--> OS는 새로운 address space 찾아야

--> free list? 사용되지 않은 물리적 메모리의 리스트

--> 프로세스 종료 시엔 메모리를 freelist에 반환

OS 이슈 : Context Switch 발생 시

--> OS는 base and bounds pair을 저장해야

--> process structure에 저장 --> PCB(Process Control Block) 내부에 있음