(Cs with python)-메모리(가상메모리와 페이징)

컴퓨터사이언스 부트캠프 with 파이썬 책을 공부하며 정리한 포스팅입니다.

개인 공부후 정리용으로 남기는 포스팅으로 내용상에 오류가 있을수 있습니다.

예제 코드는 Computer-Science 를 통해 실습하고 있습니다.

메인 메모리를 확장하기 위해 하드디스크의 일정 부분인 페이지 파일(page file)을 메인 메모리처럼 사용하는것을 말한다.
- 물리 메모리(physical memory) = 메인 메모리(RAM) + 페이지 파일
페이징(paging)기법은 가상 메모리 관리 기법중 하나

논리 주소를 물리 주소로 변환해 메인 메모리를 사용해야 할때 필요한 하드웨어
- 논리 주소(logical address) - 가상 주소 공간의 메모리 주소
- 물리 주소(physical address) - 메인 메모리의 메모리 주소

가상 주소 공간과 메인 메모리를 일정한 크기로 나누어 다룬다
페이지(page) - 가상 주소 공간을 일정한 크기로 쪼갤때 쪼개진 한 부분.
- 페이지 크기는 시스템마다 다르지만 보통 1~8KB, 32비트 시스템에서는 4KB(4096바이트)
가상 주소 공간에는 페이지가 몇 개 있을까?
- 페이지 개수 = 가상 주소 공간 크기 / 페이지 크기
- = 2^32(4G) / 2^12(4K)
- = 2^20 = 1,048,576(1M)
페이지 개수가 2^20개 이므로 페이지에 숫자를 매기려면 2^20의 수가 필요.
이를 2진수로 표현하려면 비트가 20개 필요
- 페이지 넘버(page number) - 페이지 순서를 나타내는 비트
- 여기서는 VPN(Virtual Page Number)라고 부름.
페이지 크기가 4KB일때 페이지 안에 있는 바이트 하나를 가리키려면 비트가 12개 필요.
- 오프셋(offset) - 페이지 안에서 특정 바이트를 가리키는 비트
- 페이지 넘버가 가리키는 페이지의 첫 주소부터 실제 가리키는 주소까지의 거리
논리 주소(logical address) - 페이지 넘버 + 오프셋
- 위 논리 주소는 CPU가 요청하는 주소로 프로그램 카운터에 저장된 값

10진수로 예시

- 가상 주소 공간: 2,000 바이트
- 페이지 크기: 100바이트
- 프로그램 카운터 값: 234
- 페이지 개수: 20(2,000/100)
- 오프셋: 두 자릿수 10진수(0~99)

위와 같다면 전체 2,000바이트에서 페이지 넘버는 어떻게 될까?

- 0~99바이트: 0
- 100~199바이트: 1
- 200~299바이트: 2
- 300~399바이트: 3
(중략)
- 1900~1999바이트: 19

페이지 프레임(page frame) - 메인 메모리를 쪼갠 부분 하나.
메인 메모리의 프레임 = 가상 주소 공간의 페이지의 크기
- 실제로 존재하지 않는 페이지를 실제 존재하는 프레임에 할당하기 위해서
프레임 넘버(frame number)
- 프레임 순서를 나타내는 비트
- 여기서는 PPN(Physical Page Number)라고 부름

페이지 테이블(page table) - 프로세스의 페이지 넘버, 상응하는 프레임 넘버, 상태 등을 저장하는 테이블
메인 메모리에 저장, CPU에는 페이지 테이블의 시작 주소(PTBA)를 가리키는 PTBR이라는 레지스터가 있음.
- PTBA - Page Table Base Address
- PTBR - Page Table Base Register

페이지 테이블

유효 비트(valid bit) - 프레임이 실제 메인 메로이에 있는지 아니면 하드디스크에 있는지를 나타냄.
- 프레임이 메인 메모리에 존재하면 유효 비트는 1, 존재하지 않으면 0

프로세스를 실행할 때 모든 페이지를 프레임에 매핑하는게 아니라 필요한 페이지만 메인 메모리에 올려 실행하는 것.
프리페어링(preparing)
- 프로세스가 처음 실행될 때 페이지 테이블을 메인 메모리에 만들고 실행에 필요할 것 같은 페이지만 먼저 프레임에 매핑

CPU가 요청한 페이지가 메인 메모리에 없을 때 발생
페이지 폴트가 발생하면 해당 페이지를 하드디스크에서 가져와 빈 프레임에 할당하면 됨
빈 프레임이 없다면?
- 페이지 교체 알고리즘에 의해 메모리에 있는 페이지를 하드디스크로 내리고 요청된 페이지를 메인 메모리로 올림
- 희생 페이지(victim page) - 하드디스크로 내려지는 페이지
- 페이지-아웃(page-out) - 페이지를 메인 메모리에서 하드디스크로 내리는 것.
- 페이지-인(page-in) - 하드디스크에서 메인 메모리로 올리는 것.
페이지 폴트가 자주 일어나면 프로그램 성능이 상당히 떨어짐.
그렇기 때문에 지역성을 고려하면서 프로그래밍을 해야한다.

주소 변환 속도를 높이기 위한 일종의 캐시
최근에 사용된 페이지 테이블의 일부가 저장되어 있다.
MMU가 페이지 테이블에서 프레임 넘버를 읽어 와야 할 때 먼저 TLB에 해당 항목이 있는지 확인.
- TLB 히트 - TLB에 해당 항목이 있는 경우
- TLB 미스 - TLB에 해당 항목이 없는 경우

프로그램 카운터-위키백과

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