운영체제: 페이징

 연속 메모리 할당을 통해 메모리 단편화(외부 단편화)가 발생하며, 반복될 경우 메모리의 사용의 효율성을 저해한다. 따라서 프로세스를 연속적인 공간에 할당하지 않고 프로세스를 작은 크기로 나눠 여러 부분에 할당함으로써, 연속 메모리 할당의 문제를 해결하고자 하였다. 이를 페이징(Paging)이라고 한다.

 

주소 변환 (Address Translation)

 프로세스가 실제 메모리에서는 분리된 공간에 할당되지만, CPU는 연속된 공간의 메모리를 할당하여 사용하는 것 처럼 관리한다. 이는 MMU를 통해 논리 주소와 물리 주소를 나누어두었기에 가능하다. 프로세스는 연속된 논리 주소(Logical Address)를 가지지만, 분리된 물리 주소(Physical Address)를 가지며 페이지 테이블(Page Table)을 통해 논리 주소를 물리 주소로 변환하여 사용하게 된다.

 

페이지 테이블 (Page Table)

 페이지 테이블은 CPU, 메모리에 상주 시킬 수 있다. CPU에 페이지 테이블 유지할 경우 빠른 속도르 페이지 테이블에 접근할 수 있지만, CPU의 한정된 레지스트로 인해 많은 수의 페이지 테이블을 유지하는 것은 힘들다. 이와 달리 메모리에 페이지 테이블을 유지할 경우, CPU와 달리 속도는 느리지만 상대적으로 많은 페이지 테이블을 위해 많은 공간을 사용할 수 있으므로 많은 정보를 유지할 수 있다.

 

 CPU가 프로세스가 요청한 작업을 처리하기 위해, 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 과정은 필연적이며 해당 과정이 오버헤드가 된다면 전체적인 성능 저하를 가져올 수 있다. 따라서, CPU ↔ 메모리 사이에 페이지 테이블 전용 캐시인 TLB(Translation Look-aside Buffer)를 두어, 메모리에 페이지 테이블을 유지하더라도 효율성을 높이고자 하였다.

 

 간단한 예를 통해 EMAT(Effective Memroy Access Time)을 계산하여 TLB를 사용할 경우의 효율성을 알 수 있다. 예를 들어 메모리를 읽는 시간은 100ns, TLB를 읽는 시간은 20ns, Hit ratio는 80%일 경우 EMAT는 다음과 같이 계산 된다.

 

• EAMT = Hit ratio * (TLB를 읽는 시간 + 메모리를 읽는 시간) + (1 - Hit ratio) * (TLB를 읽는 시간 + 2 * 메모리 읽는 시간)

• 즉, TLB에서 해당 논리 주소에 대한 물리 주소로 바로 접근이 가능할 경우와 그렇지 않을 경우를 계산하는 것이다.

• 위의 예제의 경우 EAMT는 140ns로 계산되어, 효율적이라는 것을 알 수 있다.

 

보호

 정상적으로 메모리에 접근하기 위해서는 페이지 테이블에 접근하여 논리 주소를 물리 주소로 변환하여야 한다. 이러한 특성을 활용하여 페이지 테이블을 통해 특정 프로세스의 오작동이나, 권한에 따라 보호할 수 있다. 예를 들어 페이지 테이블에 읽기 비트를 추가하여 읽기 비트가 설정되어 있지 않는데 프로세스가 읽고자 한다면, 강제로 종료하여 보호 할 수 있다.