운영체제 11. 주소변환의 원리

운영체제

11. 주소변환의 원리

• 메모리 가상화는 가상화를 제공하는 동시에 효율성과 제어 모두를 추구한다. 효율성을 높이려면 하드웨어 지원을 활용할 수 밖에 없다. 제어는 응용 프로그램이 자기 자신의 메모리 이외에는 다른 메모리에 접근하지 못한다는 것을 운영체제가 보장하는 것을 의미한다. 유연성 측면에서 프로그래머가 원하는대로 주소공간을 사용하고 프로그래밍 하기 쉬운 시스템을 만들기를 원한다.
• 주소변환(Address translation)을 통해 하드웨어는 명령어 반입, 탑재, 저장 등의 가상주소를 정보가 실제 존재하는 물리주소로 변환한다. 프로그램의 모든 메모리 참조를 실제 메모리 위치로 재지정하기 위하여 하드웨어가 주소를 변환한다.
• 운영체제는 메모리의 빈 공간과 사용중인 공간을 항상 알고 있어야 하고, 메모리 사용을 제어하고 관리한다.

11.1 가정

• 사용자 주소공간은 물리 메모리에 연속적으로 배치되어야 한다고 가정한다.
• 주소공간의 크기가 너무 크지 않다고 가정한다.
• 주소공간은 물리메모리 크기보다 작다. 우리는 또한 각 주소 공간의 크기가 같다고 가정한다.

11.2 사례

• 프로그램 관점에서 주소공간은 주소 0부터 시작하여 최대 16KB까지이다. 프로그램이 생성하는 모든 메모리 참조는 이 범위내에 있어야 한다. 메모리 가상화를 위해 운영체제는 프로세스를 물리메모리 주소 0이 아닌 다른 곳에 위치시키고 싶다. 어떻게 하면 프로세스 모르게 메모리를 다른 위치에 재배치 하느냐가 우리가 해결해야 할 문제이다.

11.3 동적(하드웨어 기반) 재배치

• 각 CPU 마다, 2 개의 하드웨어 레지스터가 필요하다. 하나는 베이스 레지스터라고 불리고 다른 하나는 바운드 레지스터 혹은 한계 레지스터라고 불린다. 이 베이스와 바운드쌍은 우리가 원하는 위치에 주소 공간을 배치할 수 있게한다. 배치와 동시에 프로세스가 오직 자신의 주소 공간에만 접근한다는 것을 보장한다.
• 이 설정에서 각 프로그램은 주소 0에 탑재되는 것처럼 작성되고 컴파일된다. 프로그램 시작시, 운영체제가 프로그램이 탑재될 물리 메모리 위치를 결정하고 베이스 레지스터를 그 주소로 지정한다.
• 프로세스에 의해 생성되는 모든 주소가 다음과 같은 방법으로 프로세서에 의해 변환된다.
• Physical Address = Virtual Address + bios
• 프로세스가 생성하는 메모리 참조는 가상주소다. 하드웨어는 베이스 레지스터의 내용을 이 주소에 더해서 물리주소를 생성한다.
• 가상주소에서 물리주소로의 변환이 주소변환이라고 하는 기술이다. 하드웨어는 프로세스가 참조하는 가상주소를 받아들여 데이터가 실제로 존재하는 물리주소로 변환한다. 이 주소의 재배치는 실행시에 일어나고, 프로세스가 실행을 시작한 이후에도 주소공간을 이동할 수 있기 때문에, 동적 재배치(dynamic relocation)이라고도 불린다.
• 바운드 레지스터는 보호를 지원하기 위해 사용된다. 프로세서는 메모리 참조가 합법적인가를 확인하기 위해 가상주소가 바운드 안에 있는지 확인한다. 바운드의 요점은 프로세스가 생성한 모든 주소가 합법적이고 프로세스의 범위에 있다는 것을 확인하는 것이다.
• 베이스와 바운드 레지스터는 CPU칩에 존재하는 하드웨어 구조다. 주소 변환에 도움을 주는 프로세서의 일부를 메모리 관리 장치(MMU : Memory Management Unit) 라고 부른다.
• 바운드 레지스터는 두 가지 방식 중 하나로 정의될 수 있다. 한 가지 방법은 주소 공간의 크기를 저장하는 방식으로 하드웨어는 가상주소를 베이스 레지스터에 더하기 전에 먼저 바운드 레지스터와 비교한다. 두 번째 방식은 주소공간의 마지막 물리주소를 저장하는 방식으로 하드웨어는 먼저 베이스 레지스터를 더하고 그 결과가 바운드 안에 있는지를 검사한다.
• 가상주소가 너무 크거나 음수일 경우 폴트를 일으키고 예외가 발생한다.

11.4 운영체제 이슈

• 베이스와 바운드 방식의 가상 메모리 구현을 위해서 운영체제가 반드시 개입되어야 하는 중요한 세 개의 시점이 존재한다.
  • 첫째, 프로세스가 생성될 때 운영체제는 주소공간이 저장 될 메모리 공간을 찾아 조치를 취해야 한다. 운영체제는 물리 메모리를 슬롯의 배열로 보고 각 슬롯의 사용여부를 관리하다. 새로운 프로세스가 생성되면 운영체제는 새로운 주소 공간 할당에 필요한 영역을 찾기 위해 자료구조를 검색해야 한다. 검색을 통해 선택된 공간을 사용 중이라고 표시한다.
  • 둘째, 프로세스가 종료할 때, 정상적으로 종료되거나 잘못된 행동을 하여 강제적으로 죽게될 때 프로세스가 사용하던 메모리를 회수하여 다른 프로세스나 운영체제가 사용할 수 있게 한다. 프로세스가 종료하면, 운영체제는 종료한 프로세스의 메모리를 다시 빈 공간 리스트에 넣고 연관된 자료구조를 모두 정리한다.
  • 셋째, 운영체제는 문맥교환이 일어날 때에도 몇 가지 추가 조치를 취해야 한다. CPU마다 한 쌍의 베이스-바운드 레지스터만 존재한고, 각 프로그램은 다른 물리주소에 탑재되어야 하기 때문에 실행중인 프로그램마다 다른 값을 가진다. 운영체제는 프로세스 전환시 베이스와 바운드 쌍을 저장하고 복원해야 한다.
  • 운영체제가 실행 중인 프로세스를 중단시키기로 결정하면 운영체제는 메모리에 존재하는 프로세스 별 자료구조 안에 베이스와 바운드 레지스터의 값을 저장해야 한다. 이 자료구조는 프로세스 구조체 또는 프로세스 제어블록(PCB)이라고 불린다. 운영체제는 실행 중인 프로세스를 다시 시작할 때 또는 처음 실행시킬 때, 이 프로세스에 맞는 값으로 CPU의 베이스와 바운드 값을 설정해야 한다. 프로세스가 중단되면, 운영체제가 메모리의 현 위치에서 다른 위치로 주소 공간을 비교적 쉽게 옮길 수 있다. 프로세스의 주소 공간을 이동시키려면 운영체제는 먼저 프로세스의 실행을 중지시킨다. 그런 후 운영체제는 현재 위치에서 새 위치로 주소공간을 복사한다. 마지막으로, 운영체제는 프로세스 구조체에 저장된 베이스 레지스터를 갱신하여 새 위치를 가리키도록 한다. 프로세스가 실행을 재개하면 새로운 베이스 레지스터가 복원되고 다시 실행을 시작하고, 명령어와 데이터가 전혀 다른 새 위치에 존재한다는 사실을 인식하지 못한다.
  • 넷째, 운영체제는 예외 핸들러 또는 호출될 함수를 제공해야 한다. 운영체제는 부팅할 때, 특권 명령어를 사용하여 이 핸들러를 설치한다. 프로세스가 바운드 밖의 메모리에 접근하려는 경우 CPU는 예외를 발생시킨다. 운영체제는 불법 행위를 한 프로세스를 종료한다.