[OS] 하드웨어 기반 메모리 주소 변환

✅ 주소 공간

가상 메모리 시스템의 주요 목표는 투명성, 효율성, 보호이다.

투명성

• 운영체제는 실행 중인 프로그램이 가상 메모리의 존재를 인지하지 못하도록 가상 메모리 시스템을 구현해야 한다. 프로그램은 자신이 전용 물리 메모리를 소유한 것처럼 행동해야 한다.

효율성

• 운영체제는 가상화과 시간과 공간 측면에서 효율적이도록 해야 한다. 시간적으로 프로그램이 너무 느리게 실행되어서는 안 되고, 공간적으로는 가상화를 지원하기 위한 구조를 위해 너무 많은 메모리를 사용해서는 안 된다. 효율적인 가상화를 구현할 때, 운영체제는 TLB 등의 하드웨어 기능을 포함하여 여러 하드웨어의 지원을 받아야 한다.

보호

• 운영체제는 프로세스를 다른 프로세스로부터 보호해야 하고 운영체제 자신도 프로세스로부터 보호해야 한다. 프로세스가 탑재, 저장, 혹은 명령어 반입 등을 실행할 때 어떤 방법으로든 다른 프로세스나 운영체제의 메모리 내용에 접근하거나 영향을 줄 수 있어서는 안 된다.

✅ 메모리 관리 API

메모리 공간의 종류

스택

• 할당과 반환이 프로그래머를 위해 컴파일러에 의해 암묵적으로 이루어진다. 따라서 자동 메모리라고 불린다.

힙

• 오랫동안 값이 유지되어야 하는 변수를 위해 힙이 필요하다. 모든 할당과 반환이 프로그래머에 의해 명시적으로 처리된다. 따라서, 수많은 버그의 원인이 된다.

malloc() 함수

• 힙에 요청할 공간의 크기를 넘겨 주면, 성공했을 경우 새로 할당된 공간에 대한 포인터를 사용자에게 반환하고 실패했을 경우 NULL을 반환한다.

free() 함수

• 더 이상 사용하지 않는 힙 메모리를 해제하기 위해 프로그래머는 free()를 호출한다. 메모리 할당보다 할당된 메로리를 언제, 어떻게 해제하고 더욱이 해제 여부를 확인하는 것이 더 어렵다.

✅ 주소 변환

1. 사용자 주소 공간은 물리 메모리에 연속적으로 배치되어야 한다.

2. 주소 공간은 물리 메모리 크기보다 작다.

3. 각 주소 공간의 크기는 같다.

동적 재배치 (하드웨어 기반)

베이스와 바운드 레지스터는 CPU 칩 상에 존재하는 하드웨어 구조이다!

1. 가상 주소를 베이스 레지스터에 더하기 전에 먼저 바운드 레지스터와 비교한다. (가상 주소와 비교)

2. 베이스 레지스터를 더하고 그 결과가 바운드 안에 있는지 검사한다. (물리 주소와 비교)

예제

운영체제 이슈

1. 프로세스가 생성될 때 운영체제는 주소 공간이 저장될 메모리 공간을 찾아 조치를 취해야 한다.
→ 다행히도 각 주소 공간은 물리 메모리 크기보다 작고 크기가 일정하다 라는 가정하에 쉽게 처리할 수 있다.
→ 새로운 프로세스가 생성되면 운영체제는 빈 공간 리스트를 검색하여 공간을 할당한다.

2. 프로세스가 종료할 때(정상적으로 종료될 때 또는 잘못된 행동을 하여 강제로 죽게될 때), 프로세스가 사용하던 메모리를 회수하여 다른 프로세스나 운영체제가 사용할 수 있게 해야 한다.
→ 운영체제는 종료한 프로세스의 메모리를 다시 빈 공간 리스트에 넣고 연관된 자료 구조를 모두 정리한다.

3. 운영체제는 문맥 교환이 일어날 때마다 베이스와 바운드 쌍을 저장하고 복원해야 한다.
→ 운영체제가 실행 중인 프로세스를 중단시키기로 결정하면 메모리에 존재하는 프로세스 별 자료 구조 안에 베이스와 바운드 레지스터 값을 저장한다. 이 자료 구조는 PCB(process control block)이라고 불린다.

4. 운영체제는 예외 핸들러 또는 호출될 함수를 제공해야 한다.
→ 운영체제는 부팅 시 특권 명령어를 사용하여 핸들러를 설치한다.

하지만, 메모리 변환은 운영체제의 개입 없이 하드웨어에서 처리된다. 운영제체는 프로세스가 잘못된 행동을 했을 때에만 개입한다.

✅ 요약