주기억장치(Memory), 캐시메모리(Cache), 가상메모리

주기억장치(Memory)

프로세스가 실행되기 위해서는 프로그램이 메모리에 올라와야 한다
프로그램을 보조기억장치에서 주기억장치로 적재시키면 그 프로그램은 실행되어 프로세스가 된다
OS가 사용하는 커널영역(낮은주소사용)과 USER가 사용하는 사용자영역(높은주소사용)으로 구분

주기억장치 관리 전략

1. 반입(Fetch) 전략

: 보조기억장치에 보관중인 데이터를 언제 주기억장치에 적재할지 결정
(1) 요구 반입 : 실행중인 프로그램이 특정 데이터의 참조를 요구할 때 적재
(2) 예상 반입 : 실행중인 프로그램에 의해 참조된 특정 데이터를 미리 예상하여 적재

2. 배치(Placement) 전략

: 새로 반입된 데이터를 주기억장치의 어디에 적재할지 결정
(1) 최초 적합(First Fit) : 배치 가능한 크기의 빈 영역중 첫번째 분할 영역에 배치
(2) 최적 적합(Best Fit) : 배치 가능한 크기의 빈 영역중 단편화가 가장 적은 분할 영역에 배치
(3) 최악 적합(Worst Fit) : 배치 가능한 크기의 빈 영역중 단편화가 가장 많은 분할 영역에 배치

> 내부단편화 : 배치 후 남은 공간  
> 외부단편화 : 배치를 못해 비어지게 된 공간

3. 교체(Replacement) 전략

: 주기억장치의 모든 영역이 사용중일 때 어느 영역을 교체할지 결정
ex) FIFO, OPT, LRU, LFU, NUR, SCR 등 (링크)

주기억장치 할당 기법

주기억장치에 프로그램을 어떻게 할당할 지 결정하는 기법

1. 연속 할당 기법 : 프로그램 전체를 주기억장치에 적재

(1) 단일 분할 할당 기법

사용자영역에 오직 한명의 사용자만 사용가능
프로세스는 사용자영역에 올라가는데 오직 1개의 프로그램만 올라갈 수 있다
초기의 운영체제에서 많이 사용됨

(2) 다중 분할 할당 기법 : 고정 분할(정적 할당), 가변 분할(동적 할당)

고정 분할 : 메모리를 고정된 크기로 분할
가변 분할 : 메모리를 필요한 크기만큼 분할
오버레이 (Overlay) : 보조기억장치의 한 프로그램을 조각 분할 후 필요한 조각을 차례로 주기억장재 적재, 필요시 덮어씌움
스와핑 (Swapping) : 한 프로그램 전체를 주기억장치에 적재, 필요시 다른프로그램으로 교체
- Swap out : 메모리에 적재되었던 프로그램이 교체되어 디스크로 쫒겨나는 것
- Swap in : 프로그램이 메모리에 적재되는 것

2. 분산 할당 기법 : 프로그램을 조각으로 나누어 주기억장치에 분산 적재

가상 메모리는 해당 기법을 사용힌다
여러 프로세스의 조각들이 주기억장치에 분산되어 섞여 배치되어도 맵핑테이블이 있어서 각 프로세스는 자신의 조각을 찾을 수 있다

(1) 페이징 기법 : 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나눠 주기억장치에 적재하는 기법

내부 단편화 발생
동일한 크기로 나뉘어진 프로세스 조각을 페이지라고 한다
페이지 크기에 따라 동일한 크기로 나뉘어진 주기억장치의 조각을 프레임이라고 한다
p : 페이징 번호
d : offset(시작위치에서 떨어져있는 주소)

(2) 세그먼테이션 기법 : 프로그램을 가변의 논리적 크기로 나눠 주기억장치에 적재하는 기법

가변의 크기로 나누는 기준은 프로그램의 Code, Data, Stack 영역 등의 논리적 단위이다
외부 단편화 발생
가변의 논리적 크기로 나뉘어진 프로세스 조각을 세그먼트라고 한다

s : 세그먼트 번호
d : offset(시작위치에서 떨어져있는 주소)
base : 물리메모리에서 해당 세그먼트의 시작 주소
limit : 세그먼트 길이

가상메모리(Virtual Memory) - 논리 메모리

보조기억장치의 일부 공간을 주기억장치 처럼 사용하는 공간(논리 메모리)
프로그램 크기가 주기억장치보다 클 경우 실행이 불가능하게 되는데 이를 해결할 수 있다
1. 주기억장치보다 실행하려는 프로그램 크기가 큰 경우
2. 여러개의 프로그램을 동시에 실행할 때 여러개의 크기합이 주기억장치보다 큰 경우
프로세스를 여러 조각으로 나누어 필요한 부분만 주기억장치에 올리고 필요하지 않은 부분은 보조기억장치(가상메모리)에 놔둔다
요구 반입 전략으로 주기억장치에 반입한다

논리주소 vs 물리주소

논리주소 : 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소(각 프로세스마다 0번지부터 시작)
- CPU가 참조하는 주소
물리주소 : 실제 메모리의 주소

블록 맵핑 테이블

각 블록(페이지/세그먼트)의 주소 변환을 위한 페이지의 위치 정보를 갖고 있는 테이블
각 블록이 저장된 가상메모리의 가상주소(논리주소) → 주기억장치의 실제주소(물리주소) 변환
주소변환 과정은 운영체제의 개입이 없으며 하드웨어가 처리한다.
프로세스마다 블록 맵핑 테이블을 생성한다
블록 맵핑 테이블은 OS에 의해 주기억장치의 커널영역에 위치한다
- 데이터 접근을 위해서는 2번의 메모리 접근이 발생(맵핑 테이블+실제 데이터)
- 속도 향상을 위해 TLB(Translation Look-aside Buffer) 캐시를 사용
- TLB hit : TLB참조 / TLB miss : 맵핑테이블 참조
Valid-Invalid bit : 해당 주소의 frame에 그 프로세스를 구성하는 유효한 내용이 있고 없음을 나타냄
- invalid : 사용되지 않는 주소영역인 경우(6, 7프레임), 페이지가 물리메모리에 없는 경우

페이지 맵핑 테이블(페이지 테이블)
- 페이징 기법에서 주소 변환을 위해 사용하는 테이블
세그먼트 맵핑 테이블(세그먼트 테이블)
- 세그먼테이션 기법에서 주소 변환을 위해 사용하는 테이블

캐시메모리(Cache)

주기억장치에 저장된 내용의 일부를 임시로 저장해두는 기억장치
CPU와 주기억장치 사이의 속도 차이로 인한 성능저하를 방지하기 위한 방법
속도가 주기억장치보다 빠르다

페이지 캐시 : 물리 메모리에 올라와 있는 페이지들
버퍼 캐시 : 사용자의 요청을 받은 파일을 운영체제가 파일시스템(디스크)에서 가져와 저장한 것

지역성

캐시메모리를 효율적으로 사용하기 위해서는 자주 사용하는 데이터를 캐시메모리에 적재해야 한다
이를 위해 시간기준과 공간기준으로 자주 사용하는 데이터를 예측한다

시간지역성 : 최근에 접근한 데이터를 자주 사용하는 데이터로 예측
공간지역성 : 최근에 접근한 데이터의 인접 데이터들을 자주 사용하는 데이터로 예측

워킹셋

프로세스가 일정 시간동안 원활하게 수행되기 위해 한꺼번에 메모리에 올라와 있어야 하는 페이지들의 집합
쓰래싱 방지가능