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기억장치 관리( Memory Management)

Source Program ( 심볼 주소). Object Module ( 재배치 가능 주소). Binary Run-time Module ( 절대 주소). Compiler. Linkage Editor & Loader. 14( bytes offset). X. 74014( R+14). 기억장치 관리( Memory Management). 배경( Background). 주소 바인딩( Address Binding) 한 주소 공간에서 다른 주소공간으로의 사상( mapping) 주소 바인딩 시점

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기억장치 관리( Memory Management)

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Presentation Transcript

  1. Source Program (심볼 주소) Object Module (재배치 가능 주소) Binary Run-time Module (절대 주소) Compiler Linkage Editor & Loader 14(bytes offset) X 74014(R+14) 기억장치 관리(Memory Management) 배경(Background) • 주소 바인딩(Address Binding) • 한 주소 공간에서 다른 주소공간으로의 사상(mapping) • 주소 바인딩 시점 ① Compile time : 시작 주소 미리 아는 경우 • compile후 absolute code 생성, 시작주소 바뀌면 recompile • (예) MS-DOS, COM programming ② Load time : 시작 주소 모를 경우 • compile 후 relocatable code 생성(binder가 주소 바인딩), 시작주소 바뀌면 reload만 ③ Execution time : 한 프로세스가 수행도중 다른 memory segment로 이동하는 경우 • 동적 재배치(dynamic relocation) • H/W지원 필요 : relocation register 가진 MMU(p264) 2000 운영체제

  2. 사용자 프로그램의 다단계 처리 2000 운영체제

  3. 동적 적재(Dynamic Loading)와 동적 연결(Dynamic Linking) • 동적 적재(Dynamic Loading) • 각 루틴들이 call 되었을 때 적재됨 : runtime에 load • (예) error routines : 필요할 때만 적재 • 사용자 책임(on users’ responsibility) • OS 지원 : 동적 적재 라이브러리 루틴 제공 • 동적 연결(Dynamic Linking) • run time에 linking • (예) language subroutine library • stub이용 : run-time에 메모리에 있으면 그곳으로, 없으면 load & link memory resident library routine의 위치를 찾아가거나 새로 load하는 방법을 제공하는 program code • OS 도움 필요 : 다른 프로세스의 address space 접근 지원(paging) • (예) shared libraries • (예) MS .dll (dynamic linking library) (cf.) .lib (static linking library) • Implicit linking • .dll 파일 링크 • .h 파일;extern “C”_declspec(dllimport)void PaintImage(LPSTR filename); • 빈 함수 정의; void PaintImage(LPSTR filename)=0; • Explicit linking • Loadlibrary(“ExRegularDll.dll”); 2000 운영체제

  4. 중첩(Overlays) • 중첩(Overlays) • 주어진 시간에 꼭 필요한 명령만 메모리에 유지 • (예) 2 - pass assembler • user 가 전담 -> automatic technique(= virtual memory) 2000 운영체제

  5. 논리적 주소 공간과 물리적 주소 공간(Logical versus Physical Address Space) 논리 주소 물리주소 MMU H/W • 논리 주소(logical address) • program generated • 물리 주소(physacal address) • 메모리의 Memory Address Register에 적재되는 주소 • 주소 공간(Address Space) 1. logical address space : ~ virtual address 2. physical address space : real address • memory mapping H/W = MMU(Memory Management Unit) • 재배치 레지스터(relocation register) 이용 • 생성된 모든 주소 + 재배치 레지스터 값 -> 물리 주소 • R : base value in relocation register • logical address : 0 ~ max • physical address : R + 0 ~ R + max 2000 운영체제

  6. 동적 재배치(Dynamic Relocation) 2000 운영체제

  7. 스와핑(Swapping) • 순환 할당 스케줄링 : swap-out/swap-in • 우선 순위 스케줄링 : roll-out/roll-in (우선순위에 따라) • swap-back 위치 • 같은 위치 : compile time 또는 load time binding • 다른 위치 : execution time binding • ready queue의 processes • memory에 • backing store에 : swap-in하기 위해 다른 프로세스 swap-out • swap time • swap context-switch time = (transfer time + latency time) x 2 = 216ms • latency time = 8ms • process size = 100k • transfer rate = 1000k • 100k/1000k = 0.1sec = 100ms • no head seek 가정 • ※ RR 1-time quantum > 216ms • modified swapping • Unix : system load가 클 때 OS가 swapping(멀티프로그래밍 정도를 낮춤) • PC Windows 3.1: user가 swap-in 선택, swap time 결정 • PC Windows/NT : OS가 full swapping 2000 운영체제

  8. 연속 할당(Contiguous Allocation) ~ • 단일 분할 할당(Single-Partition Allocation) ① 배치주소 고정 : ② relocation register + limit register -> 가변 OS size가능 • 실행 시간에 필요한 device driver만 load : transient OS code • 다중 분할 할당(Multiple-Partition Allocation) 1. 고정 크기 분할 • 여러 개의 고정크기 분할 • 다중 프로그래밍 정도(degree of multiprogramming)를 제한 • (예) IBM OS/360 MFT2(Multiprogramming with a Fixed number of Tasks) 2. 가변 크기 분할 • hole(사용가능 메모리 블럭)에서 필요한 만큼 할당 • MVT(Multiprogramming with a Variable number of Tasks) • 주로 일괄처리 환경 • 외부단편 발생 가능 • OS지원 : OS는 사용가능 block size의 list 유지 • H/W지원 : 기준/한계 레지스터 -> dynamic storage allocation 2000 운영체제

  9. 연속 할당(Contiguous Allocation) ~ • free hole에서 size n 할당하는 방법 1. First-fit : first hole (fastest) 2. Best-fit : smallest hole (best) 3. Worst-fit : largest hole (경우에 따라 더 유용) (예) 다음 장 (c)에서 100k, 100k, 200k, 160k 할당 OS OS OS OS process 5 process 5 process 5 process 5 process 9 process 9 process 8 process 10 process 2 process 2 process 2 process 2 2000 운영체제

  10. 기억장치 할당 예 2000 운영체제

  11. 연속 할당(Contiguous Allocation) • 외부단편과 내부단편(External and Internal Fragmentation) 1) Note : 외부 단편 : partition자체가 사용되지 않음 • 560K 빈공간에 500K 프로그램 담지 못함 • 50% rule : first-fit의 경우 통계적으로 N 할당 블록에 대해 0.5N 블록 외부 단편 생김 • compaction : 사용가능 메모리를 한곳으로 모음 2) 내부단편 : partition 내부에 생긴 단편이 사용되지 않음 3) compaction • dynamic relocation인 경우에만 가능 • 각 program마다 base register이용 • Compaction + Swapping • roll-back될 때 dynamic relocation으로 compaction(적절한 위치로 roll-back됨으로써) 2000 운영체제

  12. 압축(compaction) 2000 운영체제

  13. page number page offset p d m-n n 페이징(Paging) ~ • 기본 방법(Basic Method) 1. 물리주소 -> frame(고정크기 블럭) 단위로 나눔 2. 논리주소 -> page(frame크기) 단위로 나눔 • H/W지원 ① Page table H/W • 각 page의 물리 주소공간에서의 시작주소 : base address • 논리주소 = page number + page offset • 물리주소 = 그 page의 물리적 시작주소 + page offset ② address generation H/W(registers) : p270 Figure 9.6 • page table참조하여 물리주소 계산 • 논리주소 = 2m, page size는 2n : (예) 512(n=9), 1024(n=10), 2048(n=11), 4096(n=12), 8192(n=13) • 외부단편 없음, 내부단편 생김(마지막 page) • page size 작을 수록 • 내부 단편 크기 ? • page table 유지 overhead ? • disk I/O 시간 ? • page size 커지는 것이 추세(2048, 4096, 8192) 2000 운영체제

  14. 페이징 예 2000 운영체제

  15. 페이징(Paging) ~ • 논리주소 물리주소 (address-translation H/W) • OS가 올바른 물리주소 생성 지원 ① 각 프로세스 마다 page table유지 : 그 페이지가 담긴 frame 번호 • context-switch time 증가 ② frame 할당 상황 담은 frame table 유지 : 사용가능 frame list ③ 사용자 프로세스가 자신의 주소공간에서 동작하는지 파악 • 페이징은 동적 재배치(dynamic relocation)의 한 형태 • Page Table의 기본 구조(Structure of the Page Table) • H/W지원 ① register로 • 빠르다. page table 크기 작을 때 가능 • (예) DEC PDP-11 : 16bits address, page size 8K -> 8 page registers ② memory에 • PTBR(Page-Table Base Register)로 접근 • 느리다(memory에 2회 접근) • fast-lookup hardware cache(associative register, translation look-aside buffers; key & value)로 보완 ① 보다 10%의 느린 속도로 2000 운영체제

  16. 페이징 주소변환 하드웨어(Address Translation Hardware) 2000 운영체제

  17. 가용 프레임(Free Frames) 2000 운영체제

  18. 페이징(Paging) ~ • 유효 접근 시간(effective access time) • (page를 cache에서 찾을) hit-ratio 80% : 16 registers • i) cache에 있으면 • 20ns(cache access) + 100ns(memory access) -> 120 ns • ii) cache에 없으면 • 20ns + 2 x 100ns ->220ns • 유효 접근 시간 = 0.80 x 120 + 0.20 x 220 = 140ns (40% slow down) • hit radio 98% • 유효 접근 시간 = 0.98 x 120 + 0.02 x 220 = 122ns (22% slow down) • TLB 10~512 개 이용하여 80~98% hit-ratio • Motorola 68030 processor : 22 entry TLB • Intel 80486 CPU : 32 entry TBL로 98% hit-ratio • 보호(Protection) • 보호 비트(Protection bit) : read-write, read-only, execute-only • 타당/비타당 비트(valid/invalid bit) : 논리주소 공간에서의 유효성 여부 • 전체주소 공간 : 214 = 16,383 = 2K x 8 • 페이지 크기 : 2K • 프로그램 크기 : 10469(주소: 0 ~ 10, 468) • valid : page 0 ~ page 5(마지막 페이지에 내부 단편) • PTLR(Page Table Length Register) 사용 2000 운영체제

  19. TLB(Translation Look-aside Buffers) 이용 페이징 하드웨어 2000 운영체제

  20. 페이지 테이블에서 유효(v) 무효(i) 비트 2000 운영체제

  21. page number page offset p d 20 bits 12 bits page number page offset p1 p2 d 10 bits 10 bits 12 bits 페이징(Paging) ~ • 다중 레벨 페이징(Multilevel Paging) • 논리주소공간 : 232 ~ 264 : page table이 매우 커짐 • 페이지 크기 : 4K (232/212 = 220항목) x 4 bytes = 4M page table size • 2 레벨 paging : page table을 4K paging(1K 항목, 각 항목 4 bytes) : p286 그림 8.18 • 유효 접근 시간 = 0.98 x 120 + 0.02 x 320 = 124ns (28% slow down) • VAX : 2 레벨 paging • SPARC(with 32 bits addressing) : 3 레벨 paging • 32bit Motorola 68030 : 4 레벨 paging • 5번 memory access • 유효 접근 시간 = 0.98 x 120 + 0.02 x 520 = 128ns (28% slow down) 2000 운영체제

  22. 이 단계 페이지 테이블 체계(Two-Level Page-Table Scheme) 0 1023 0 0 1023 1023 0 1023 2000 운영체제

  23. 페이징(Paging) • 역 페이지 테이블(Inverted Page Table) • page table이 너무 커서 physical memory 낭비될 경우 • 각 항목의 값은 virtual page 값 : p282 Figure 9.14 • (예) IBM System/38 IBM RISC System 6000 IBM RT Hewlett-Packard Spectrum Workstations • 논리주소(virtual address) : <process-id, page-number, offset> • 역 페이지 테이블에서 <process-id, page-number> search • match되면 그 인덱스 값이 i 값 • 없으면 page fault : 그 process의 external page table 참조하여 page fault 처리 • 물리주소(physical address) = <i, offset> = i * frame size + offset • page look-up processing이 time consuming • hash table로 보완 : 2 memory accesses(hash table, page table) -> associative memory로 보완 • 공유 페이지(Shared Pages) • (예) time-sharing 환경에서 reentrant text editor code를 공유 • 재진입 코드(reentrant code, pure code) = non-self modifying code • 공유 코드의 read-only 성질은 OS가 보장해야 • paging : page단위로 sharing가능 : 역 페이지 테이블로는 어려움: 여러 virtual page entries 필요 2000 운영체제

  24. 역 페이지 테이블 구조(Inverted Page Table Architecture) 2000 운영체제

  25. 공유 페이지 예(Shared Pages Example) 2000 운영체제

  26. 세그멘테이션(Segmentation) ~ • 기억장치의 사용자 관점을 지원하는 기법 • 기본 방법(Basic Method) • 메모리에 대한 사용자 관점 /= 실제 메모리 • 사용자 관점 : 임의 길이의 논리적 segment들의 집합 • segment : 의미적으로(semantically) 정의된 프로그램의 부분들, 예를 들면, main, subroutines, functions, data elements, ... • 논리주소 : <segment number, offset> s d • 세그먼테이션 처리 • segmentation : compiler가 • segment 번호 : loader가 • Hardware ① segment table • 한계(길이), 기준의 쌍 ② address generation H/W • p286 Figure 9.17 2000 운영체제

  27. 세그멘테이션 예 2000 운영체제

  28. 세그멘테이션 하드웨어 2000 운영체제

  29. 세그멘테이션(Segmentation) • Segment Table의 구현 ① faster registers에 ② memory에 • STBR(Segment-Table Base Register) -> Segment Table • STLR(Segment-Table Length Register) • 2회 memory accesses -> associative registers • 보호와 공유(Protection and Sharing) ① 보호 • Segment : 의미적으로 정의된 프로그램의 부분 (semantically defined portion of the program • Segment table에 보호 비트(protection bit) : read-only, execute-only, writable ② 공유 • 각 프로세스는 PCB에 연관된 segment table 유지 : dispatcher가 이용 • segment로 정의되어 있기만 하면 각 프로세스의 segment table을 통해 공유 • (예) 시분할 환경의 text editor : system p207 그림 8.25 참조 • 단편화(Fragmentation) • MVT처럼 외부단편 생김(segment는 variable length이므로) • wait until more memory 또는 • compaction 2000 운영체제

  30. 세그먼트 공유(Sharing of segments) 2000 운영체제

  31. segment number offset s1 s2 d1 d2 8 bits 10 bits 6 bits 10 bits 페이지화 된 세그멘테이션(Segmentation with Paging) ~ • paging+segment • paging : internal fragmentation • segmentation : external fragmentation • (예) Multics, OS/2 32-bits(Intel 80386) • MULTICS • logical address • 64K words(= 36 bits) 세그먼트 = 26 x 210 = 216 • 34 bits 논리 주소 : 18-bits segment number + 16-bits offset ① 큰 segment(외부단편 문제 있음)를 1K 단어 paging : 6 bits page number, 10 bits offset • 각 segment 마다 자신의 page table • segment table : <세그먼트 길이(limit), 페이지 테이블 기준 주소>의 쌍 ② 큰 segment table을 1K 항목 paging : 8 bits page number, 10 bits offset • 16 associative registers 이용 <key, value> • 24bits frame number • 외부 단편 제거, 내부 단편 발생, table space overhead증가 (각 segment마다 page table) • 논리 주소 2000 운영체제

  32. MULTICS의 페이지화된 세그멘테이션 (pagedSegmentation) 2000 운영체제

  33. MULTICS의 주소 변환(Address-Translation) 2000 운영체제

  34. s g p 페이지화된 세그멘테이션(Segmentation with Paging) ~ • OS/2 32-bits Version • Inter 80386(80486)구조 상의 OS/2 32-bits version • segment 최대 개수 : 16K = 214 = 213 x 21 • segment 최대크기 : 4G = 232 • page size : 4K = 212 • 한 프로세스의 논리주소공간은 • 2 partitions • private ~ 8K 개 segments : LDT(local descriptor table) : 각 항목 8 bytes • public (shared) ~ 8K개 segments : GDT(global descriptor table) : 각 항목 8 bytes • 논리주소 = (16 bits selector, 32 bits offset) • 6 segment registers : 동시에 6 개 세그먼트 접근 가능 • 6개의 8 bytes micro program registers : LDT 또는 GDT 내용을 담을 수 있는 caches 13 bits 1 bit 2 bits segment LDT protection number(~8K) GDT 2000 운영체제

  35. p1 p2 d 페이지화된 세그멘테이션(Segmentation with Paging) • addressing : p292 Figure 9.20 참조 • selector -> GDT, LDT entry(base address) + offset = 32 bits 선형주소 (linear address) • 232 segment를 4K paging (1K 항목, 각 항목 4 bytes)하면 220 개 항목 -> 4M 테이블 필요 • 2-level 4K paging 10 10 12 page swappable directory page table 내 인생의 신조 나는 지식보다 상상력이 더 중요함을 믿는다. 신화가 역사보다 더 많은 의미를 담고 있음을 나는 믿는다. 꿈이 현실보다 더 강력하며 희망이 항상 어려움을 극복해 준다고 믿는다. 그리고 슬픔의 유일한 치료제는 웃음이며 사랑이 죽음보다 더 강하다는 걸 나는 믿는다. 이것이 내 인생의 여섯 가지 신조이다. 로버트 풀검 2000 운영체제

  36. Intel 80386 address translation 2000 운영체제

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