1. 물리 메모리

• 캐시, (메인)메모리, 하드디스크의 계층 구조: 작업속도와 비용을 고려해서 프로그램은 메모리에서 실행
• 메모리 주소 레지스터 MAR: CPU는 메모리에 있는 내용이나 작업결과 저장 위해 MAR에 메모리의 주소값 넣음 (이 주소값을 이용해서 메모리에 접근)

• 메모리 관리: 가져오기 fetch, 배치 placement, 재배치 replacement

  • fetch: 사용자의 요청에 따라 메모리 관리자가 프로세스와 데이터를 메모리로 가져옴
  • placment: 메모리의 구역을 나누고 프로세스와 데이터를 놓을 위치 결정
  • replacement: 교체 알고리즘을 통해 오래된 프로세스를 하드디스크로 옮겨놓음
  • 메모리관리 시스템 MMS에서 담당

2. 메모리 주소

• 32bit CPU: CPU가 한번에 다룰 수 있는 데이터의 최대 크기가 32bit

  • CPU 내부의 레지스터, ALU와 데이터를 전송하는(버스) 대역폭, 버스를 통해 한번에 옮겨지는 데이터 크기 모두 32bit이므로 운영체제도 이에 맞는 것을 설치
  • 메모리 주소의 범위: 0 ~ 2^23-1
• 메모리 중 운영체제 영역과 사용자 영역을 구분 필요: 영역침범 없는지 CPU 레지스터가 확인

메모리 중 사용자 영역의 주소를 구분하는 기준

• 절대주소: 물리주소 0번지부터 시작/ 물리 주소 공간(실제 주소 공간)
• 상대주소: 사용자가 사용할 수 있는 메모리 영역 기준으로 항상 0번지부터 시작/ 논리 주소 공간

• 절대주소에서 상대주소로의 변환

  • 상황: 운영체제 영역이 0~359, 사용자 영역이 360~999 사용할 때, 프로세스가 40번지의 데이터 필요

  • 변환

    1. 프로세스가 CPU에게 40번지의 데이터 요청
    2. CPU는 메모리 관리자에게 40번지의 데이터 가져올 것 명령

    3. 메모리 관리자는 재배치 레지스터 통해 40→400으로 변환 후 400번지의 데이터 가져옴

       • 재배치레지스터에는 사용자 영역이 시작되는 주소값 저장되어 있음
• 컴파일러는 변수를 메모리 주소로 바꾸어 기계어로 변환하고, 이 과정에서 주소는 상대주소 사용

3. 한 개의 프로세스가 실행될 때의 메모리 할당

• 메모리 오버레이: 한정된 메모리 상황에서 메모리보다 큰 프로그램의 실행이 가능하게함

  • 상황: 프로그램 크기 > 실제 메모리크기 일 때
  • 해결: 프로그램을 몇 개의 모듈로 나누고 → 필요시마다 모듈 가져와서 사용

• 스왑 영역: 사용하지 않는 데이터를 저장해두는 하드디스크의 공간/ 메모리 관리자가 관리

  • swap in: 스왑영역의 모듈 중 필요한 것을 메모리로 이동
  • swap out: 현재 안 필요한 모듈을 스왑영역으로 이동
  • 사용자가 인식하는 메모리 크기 = 실제 메모리 크기 + 스왑영역 크기

4. 여러 프로세스가 실행될 때의 메모리 할당

• 메모리에서 한 프로세스가 차지하는 크기를 분할하는 방식: 고정 VS 가변
• 현대에는 기본적으로 고정분할 방식 사용하면서 일부분은 가변 분할방식 혼합해서 사용

고정 분할방식 fixed-size partitioning

• paging으로 메모리 할당
• 비연속적 메모리 할당: 프로세스 크기 관계없이 메모리가 동일한 크기로 분할 → 한 프로세스가 여러 조각으로 나뉘어져 배치

• 내부 단편화: 프로세스보다 큰 메모리 할당 → 메모리 안에서 프로세스 사이의 빈 공간 생김

  • 해결 방법: 메모리를 나누는 크기를 최적으로 선택

가변 분할방식 variable-size partitioning

• segmentaion으로 메모리 할당
• 연속 메모리 할당 continuos memory allocation: 프로세스의 크기만큼 메모리 분할 → 한 프로세스가 연속적으로 배치

• 외부 단편화 external fragmentation: 연속적으로 할당될 수 있을만한 메모리 공간이 안 나오면 그 메모리공간은 사용 못함 → 메모리 안에서 프로세스 사이에 빈 공간의 조각 생김

  • 해결 방법

    • 메모리 배치방식memory placement strategy: 메모리에 할당시 진행

      • 최초 배치 firtst fit: 메모리의 빈 공간에 프로세스를 순서대로 배치
      • 최적 배치 best fit: 메모리 빈 공간 모두 확보 후 가장 최적으로 작은 조각 안 생기게 배치

    • 조각모음 defragmentation: 프로세스가 종료된 이후에 진행

      • 남아있는 프로세스들의 동작을 멈춤 → 적당한 공간으로 메모리 상대주소값을 바꾸어서 자리 이동 → 단편화된 공간들을 합침

버디 시스템

• 필요한만큼의 메모리(가변)를 할당. 이 과정에서 1/2씩 잘라가면서 필요한 위치를 판단 → 메모리 관리가 고정보다는 복잡
• 1/2씩 잘라가면서 할당하기에 그 공간이 다른 프로세스가 차지하고 남은 것이면 사용 못함(고정 분할방식처럼 내부단편화)
• 비슷한 크기의 메모리 조각들이 인접 → 프로세스가 종료된 이후의 조각 모음이 가변분할방식보다 수월

출처

• 조성호, 쉽게 배우는 운영체제(한빛아카데미, 2022)