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메모리 계층 구조
레지스터
CPU Core 내부에 존재하며 Core에서 연산을 수행할 때 직접 참조할 수 있는 유일한 기억장치
Core 내부에도 몇 개 존재하지 않는 귀한 기억장치이며 보통 한 워드(프로세서가 처리할 수 있는 가장 자연스러운 데이터의 크기)가 레지스터 하나의 크기임.
캐시 메모리
CPU Core 내부에 존재하며 Core와 입출력 버스를 통해 정보를 주고 받음
명령어를 저장하는 Instruction Cache와 데이터를 저장하는 Data Cache로 구분되어있음.
주로 Refresh (메모리의 내용을 보존하기 위해서 주기적으로 데이터를 갱신하는 작업. 이 작업이 수행중일 때는 메모리에 읽거나 쓰는 동작을 하지 못함)가 필요없는 SRAM(Static RAM)으로 구성함.
CPU 내부에서 상당한 공간을 차지함.
캐싱 (Caching)
데이터를 느린 하위 계층(보조기억장치)의 데이터를 미리 가져다 놓는 작업
캐싱할 데이터는 어떻게 선별할까?
시간적 지역성 (Temporal Locality) : 최근 접근된 내용이 또 다시 접근될 확률이 높다.
공간적 지역성 (Spatial Locality) : 한 지역의 내용이 접근되었다면, 그 주위의 내용도 접근될 확률이 높다.
CPU 내부에 있는 캐시 컨트롤러는 위 두가지 원리를 적용해 캐시 메모리에 적재될 내용을 관리함.
메인 메모리
CPU 외부에 존재하며 CPU와 North Bridge를 통한 데이터 버스를 통해 통신함.
데이터를 보존하기 위해서 주기적으로 Refresh가 필요한 DRAM으로 구성됨.
보조기억장치
하드디스크, CD, DVD, USB 메모리 등. 메인 메모리에 비해 접근 속도가 현저하게 떨어짐
프로세서에서 접근 속도가 빠른 기억장치의 순서
- 레지스터
- 캐시 메모리
- 메인 메모리
- 보조 기억장치
접근 속도가 빠르다 = 프로세서와 가깝다.
메모리 관리
Base Register, Limit Register
운영체제는 각 프로세스들이 메모리에 올라왔을 때 다른 프로세스가 메모리 공간에 접근하는 것을 막아야함.
이를 위해 메모리에서 프로세스의 시작 위치를 저장하는 Base register와 프로세스에게 할당된 메모리의 크기 Limit register 값을 이용해 프로세스들의 메모리 공간(space)의 경계를 나눔.
Base Register <= 프로세스가 접근할 수 있는 공간 <= Base Register+ Limit Register
Address Binding
프로세스가 접근해야 하는 값과 함수에 대한 주소가 정해지는 것
Logical Address, Virtual Address
- 논리적 주소. CPU가 생성하는 주소
Physical Address
- 물리적 주소. 실제 접근해야하는 메모리 주소.
- 메모리에 나타나는 주소
Logical Address와 다를 수 있음.
바인딩 시점
-
컴파일 시점 주소 바인딩
컴파일이 될 때 컴파일러에서 멍령어들과 변수의 메모리 주소가 정해지는 것
- 여기서 정해지는 주소는 실제 메모리 주소.
- CPU에서 명령어를 실행할 때 이미 주소가 정해져있으므로 따로 주소 계산을 하지 않고 바로 접근해야하는 주소가 되므로 컴파일 시점 바인딩에서는 Logical Address = Physical Address
- 주소가 결정나고 프로그램을 다른 시스템에서 실행했을 때 해당 시스템의 메모리를 어디서부터 하ㄹ당해주는지 나타내는
stating point가 다르거나 이미 그 주소에 다른 프로그램이 실행 중이라면 이 프로그램은 실행할 수 없음.
-
로드 시점 주소 바인딩
프로그램이 컴파일 되고 메모리에 올라갈 때 CPU에서 주소가 계산되는 것
- 컴파일 된 프로그램 내의 각 변수나 명령어의 주소는 특정 값을 기준으로 정해짐.
- 메모리에 올라가 CPU에서 주소를 계산할 때 프로그램이 올라간 메모리 주소의 Base Register 값에 이를 더하여 주소를 만들어냄.
- CPU 내에서 계산되고 발생한 Logical 주소는 해당 메모리의 실제 주소 Physical Address와 같게됨.
- 한번 메모리에 올라가면 종료될 때 까지 그 위치에 존재하게됨.
-
실행 시점 주소 바인딩
메모리에 올라가 매번 명령어가 실행될 때 마다 주소가 계산되는 것
- 프로그램의 메모리 위치가 매번 변하기 때문에 이 방법을 사용.
- 프로세스는 여러 이유로 인해 메모리 공간 안에서 위치가 바뀔 수 있음. -> 시작 위치는 계속 바뀌고 프로세스 내의 주소들도 바뀌게 되는데 위 두가지 방법으로는 매번 바뀌는 메모리 주소에 접근을 할 수 없게됨.
- CPU에서 나온 임의의 주소
MMU를 걸쳐 실제 주소로 바뀌어 접근함. - CPU에서 발생한 주소가 Logical Address이고 MMU를 통해 바뀐 주소가 메모리의 실제 주소인 Physical Address이므로 두 주소가 다름 (Logical Address는 가상 주소)
MMU (Memory Management Unit)
가상 주소를 물리 주소로 매핑하는 하드웨어 장치
- 재배치 레지스터를 사용함.
프로그램이 메모리에 올라가는 과정
- 로드과정
- 프로그램을 메모리에 올림
- 링킹 과정
- 라이브러리 파일과 연결해줌
메모리에 올라가서도 지속적으로 메모리 공간을 차지하는 것이 아닌 운영체제의 필요에 의해 swap-in되거나 swap-out 되기도 함
linking
프로그래머가 작성한 소스코드를 컴파일하여 생성된 목적파일과 이미 컴파일된 라이브러리 파일들을 묶어 하나의 실행 파일을 생성하는 과정
Dynamic Linking
프로그램이 실행되기까지 링킹이 지연됨.
Static linking
매번 프로세스 메모리에 사용하는 라이브러리를 확보하여 프로세스와 함께 올림. -> 메모리 낭비
다이나믹 링킹은 shared libraries라고도 불림.
Swapping
ready queue에 있는 우선순위가 높은 프로세스가 메모리에 있는 프로세스와 자리를 바꾼다고 생각하면 됨.
메모리에 있던 프로세스는 backing store라는 곳에 머물다가 다시 메모리에 할당되어 실행됨.
메모리에서 backing store로 가는 것을 swap out이라고 하고 다시 메모리에 할당되는 것을 swap in이라고 함.
메모리 할당 방법
연속적인 할당
프로세스에게 메모리를 연속적으로 할당하는 방법.
hole(구멍)은 비워져있는 메모리 공간으로 프로세스에게 할당할 수 있는 메모리 공간(avaliable)임.
first-fit- 최초로 할당받을 수 있는 크기의 공간에 무조건 할당됨.
best-fit- 크기가 가장 근접한 공간에 할당됨. 속도가 가장 빠름.
worst-fit- 크기가 가장 많이 차이가 나는 공간에 할당됨.
이 연속적인 할당 방법에는 단편화 문제가 생기는데 단편화에는 두 종류에 단편화가 있음.
- 외부 단편화 (external fragmentation)
- 메모리 공간에는 요청에 만족하는 크기의 할당할 수 있는 공간이 존재하나, 연속적이지 못해 할당할 수 없음.
- 내부 단편화 (internal fragmentation)
- 메모리를 할당해주는 단위가시스템의 block 단위인데, 만약 요청하는 메모리 크기가 14.5kByte이고 시스템의 block 단위가 1kByte이면 15kByte를 할당해주게 되고 이 때 0.5 kByte의 메모리가 낭비됨.
이 단편화 문제를 해결할 방법에는 압축과 비연속적인 할당이 있음.
압축 방법의 경우 상당히 제한적임.
비지속적인 할당
Paging
논리 메모리는
page라 불리는 고정 크기의 블록으로 나누어지고 물리 메모리는frame이라는 페이지와 같은 크기의 블록들로 나누어짐.
page와 frame를 매핑할 page table이 존재하는데 이 page table에는 각 페이지 번호와 그에 해당하는 frame의 시작 물리 주소를 저장함.
Segmentation
페이징과 비슷하나 논리 메모리와 물리 메모리를 같은 크기의 블록이 아닌 서로 다른 크기의 논리적 단위인
segment로 분할함.
블록의 크기를 모르기 때문에 segment table에는 해당 segment의 시작점인 base와 segment의 길이인 limit을 가지고 있음.
