페이지 폴트 + 가상메모리 시스템

가상메모리 (virtual Memory)

• 가상 메모리는 메모리를 관리하는 방법의 하나로
• 각 프로그램에 실제 메모리 주소가 아닌 가상의 메모리 주소를 주는 방식을 말한다.
• 이러한 방식은 멀티태스킹 운영 체제에 흔히 사용되며, 실제 주기억장치(RAM)보다 큰 메모리 영역을 제공하는 방법으로 사용된다.

프로그램 실행하는 데 필요한 최소한의 메모리는 얼마인가?

• 10000바이트의 프로그램이 실행하는데 필요한 최소한의 처리 순서를 다음과 같이 가정해보자.

1) 메모리에서 명령어를 읽어온다.
2) 명령어가 필요로하는 데이터도 메모리에서 읽어온다.
3) 명령이 완료된 후, 결과가 메모리에 기록된다.

예를 들어, 이 각각의 명령처리에 100바이트 씩의 메모리가 할당되어야 한다면, 고작 300바이트만으로 프로그램을 실행 시킬 수 있다는 것이다. 즉, 프로그램 실행과 상관있는 300바이트만 메모리에 올리면 된다는 뜻이다.

나머지 기능을 수행할 코드나 데이터부분의 처리를 위한 메모리 할당은 어떻게 해야 되나?

• 바로, 보조기억장치(하드디스크 등)이다.
• 현재 필요하거나 향후 필요한 어플리케이션의 일부분을 필요한만큼 계속 RAM에 올려놓도록 가상 메모리 하부 시스템을 구축하여 동작 할 수 있다면
• 하드디스크를 RAM의 보조기억장치로 쓰는데 아무 문제가 없는 것이다.

가상 주소(Virtual Address)와 MMU(Memory Management Unit, 메모리 관리 장치)

• 가상 주소(Virtual Address)는 논리 주소(logical Address)라고도 하며
• 실제 메모리 상에서 유효한 주소는 물리 주소(Physical Address)또는 실주소(Real Address)라고 한다.
• 가장 주소 공간의 가상 주소는 MMU에 의해서 실제 물리 주소로 변환된다.
• 그러나 수억만 바이트에 이르는 메모리를 하나씩 가상 주소에서 물리적 주소로 변역하게 되면 작업부하가 너무 높아지므로, MMU는 RAM을 여러 부분, 즉 일정한 크기를 가진 블록인 페이지(PAGE)로 나누어 각 페이지를 하나의 독립된 항목으로 처리하게 된다.

페이지 폴드

• 페이지 폴트란 프로그램이 자신의 주소 공간(가상메모리공간)에는 존재하지만
• 시스템의 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근 시도하였을 경우 발생하는 현상을 말한다.
• 페이지 폴트가 발생하면 운영체제는 그 데이터를 메모리로 가져와서 마치 페이지 폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼 프로그램이 계속적으로 동작하게 해준다.

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• 앞에서 설명한 바와 같이 CPU는 우선 원하는 주소(12374)를 MMU에게 보내게 된다.
• 그러나 MMU는 주소 변환 과정에서 페이지 테이블(Page Table)에 이 주소에 대한 항목이 없다고 표시할 것이다. 그 다음 MMU는 CPU를 인터럽트 한 후, 페이지 폴트 처리기라는 소프트웨어가 실행되도록 한다.
• 이 페이지 폴트 처리기가 원하는 페이지를 디스크 상 어디에 위치하는지 찾은 후 읽어오게 하는 작업을 한다.

작업 세트

• 현재 특수 프로세스 전용으로 할당된 물리적 메모리 페이지 그룹을 그 프로세스의 작업세트라고 한다.
• 메모리 완전 부족 현상을 방지하기 위해서는 프로세스의 작업 세트에서 페이지를 삭제하여 나중에 사용 가능한 여유 공간으로 변경시켜야 하는데, 운영 체제는 다음과 같은 방법을 사용하여 프로세스의 작업 세트를 줄여준다.

-수정된 페이지를 대용량 기억장치의 전용 공간(보통 스와핑(Swapping) 또는 페이징(Paging)공간이라고 부름)에 기록하기 
-수정되지 않은 페이지는 여유 페이지로 표시함(이 페이지는 변경되지 않았으므로 디스크로 가져와 기록할 필요가 없다.)

• 또한, 운영체제는 모든 프로세스에 적절한 작업 세트를 할당하기 위하여 모든 페이지에 대한 사용 정보를 기록해야 하는데, 이렇게 함으로써

-운영 체제는 어느 페이지가 자주 사용되었으며(이러한 페이지는 메모리에 계속 두어야 한다.)
-어느 페이지가 사용되지 않았는지(따라서 메모리에서 삭제 할 수 있다) 결정할 수 있게 된다.

페이지의 동적 주소 변환

• 페이징 기법이 적용된 시스템에서 가상주소는 순서쌍(p,d)
• p는 가상 메모리 내에서 참조될 항목에 속해 있는 페이지 번호(page number)
• d는 페이지 p 내에서 참조될 항목이 위치하고 있는 곳의 거리(distance)

1) 수행 중인 프로세스가 가상주소 V(p,d)를 참조한다.
2) 페이징 기법을 통해 페이지 p가 페이지 프레임 p'에 있음을 알아낸다.
3) 실주소 r = p' + d를 구한다.

스와핑(Swapping)

• 스와핑은 수정된 페이지를 하드 디스크와 같은 보조기억 장치 내부의 시스템 스왑 페이지에 기록하는 작업을 한다.
  1) 프로세스에서 페이지가 스와핑 됨
  2) 프로세스가 실행 가능 상태가 되어 스왑된 페이지에 접근 시도함
  3) 페이지 폴트로 메모리로 다시 기록됨(이 때, 대부분의 경우 다른 프로세스 페이지가 스와핑되어 나가게 됨)
  4) 얼마 지나지 않아 이 페이지가 다시 스와핑 됨

• 이러한 상황이 너무 자주 발생하면 더 많은 CPU 및 입/출력 작업을 무리하게 요구 당하게 되며, 프로그램의 처리 속도가 급격히 떨어지게 된다.

• 극단적인 경우엔 시스템은 아무런 작업도 실행하지 못 한채, 페이지를 메모리에서 가져오고 빼내는 작업에만 모든 자원을 소모하게 되는 경우도 발생할 수 있다.

@ 이와 같은 경우를 쓰레싱(Thrashing)이라고 하며, 현재 작업을 실행하는데 RAM이 부족하다는 것을 나타낸다.