Memory Management Units (MMU)¶

1. Address 종류¶

random access memory에 접근하기 위해서는 address가 필요하며,
이 address를 지정하는 방식은 다음의 2가지로 크게 나뉨.

1-1. Logical Address ( = Virtual Address )¶

기본적으로 Process마다 독립적으로 할당되는 주소 공간
각 process마다 0부터 시작한다.
CPU 와 program, programmer 가 사용하는 address!

1-2. Physical Address¶

Physical Memory 에 실제 주소.
Memory Management Unit 을 통해 얻어짐.

추가적으로 Symbolic Address 도 사용된다.
아래 Logical Address와 Symbolic Address를 참고.

2. MMU (Memory Management Unit) 이란?¶

CPU (or Program)가 Physical Memory에 접근하는 것을 관리하는 하드웨어 장치.

MMU를 통해

Program(or CPU)가 사용하던 logical address(=virtual address)가
실제 Memory의 physical address로 변환됨.

logical address를 physical address로 변환하는 작업을 address translation이라고 하며 MMU가 담당함.

다음 그림은 segment 기반의 MMU를 보여줌 (Paging 기반도 있음).

MMU는 각 Program (or Process)에 해당하는
- index register(=base register)의 값을 가지고 있음
  - 이는 Segment table의 base address (=해당 process의 사용하는 physical address의 시작 address, STBR) 임.
- 동시에 각 Process가 사용가능한 범위의 한계 address도 알고 있음: limit register.
MMU는 OS에 대해 transparent하지 않음.

현재는 CPU와 MMU가 하나의 chip으로 통합되어 있어서
마치 physical memory가 CPU에서 나오는 것처럼 보일 수 있으나
CPU의 core에서는 logical address만을 사용하며,
이를 MMU가 table lookup등을 통해 해당 process의 실제 physical address로 변환해줌.

주의할 건

logical address와 physical address간의 변환은
MMU, 즉 H/W상에서 이루어진다는 점 으로 OS는 여기에 관여하지 않음.

하지만, 앞서 기재했듯이 MMU는 OS에 대해 transparent하지 않기 때문에,

address translation 은 OS 대신 MMU에 따라 H/W로 이루어지나,
이 변환과정에 필요한 table 의 설정은 OS가 관여해야 함.
즉, OS는 MMU가 사용하는 각 테이블의 위치 (base address)와 범위 (limit)을 설정하여
MMU가 정상적으로 동작하도록 함.
이는 OS가 MMU의 내부 동작을 알고 있고 OS가 직접 MMU의 page table 을 변경함을 의미함.

MMU는 von Neumann Architecture와 Harvard Architecture의 구분을 모호하게 만든다.
하나의 bus를 사용하면서도 MMU는 data memory영역과 instruction memory 영역의 구분 이 가능함.
(MMU를 통해 "여러 process별로 사용하는 memory 영역이 구분하는 virtual memory" 가 가능해짐.).

참고: A Survey on Computer System Memory Management and Optimization Techniques

참고: Transparent 의 의미.¶

앞서의 "Transparent"라는 표현은

운영 체제(OS)나 사용자에게 특정 동작이 보이지 않고,
내부적으로 자동으로 처리되는 것을 의미함.

즉, OS 또는 사용자에게 Transparent 한 H/W 또는 기능이란

OS나 사용자 입장에서 해당 하드웨어나 기능이 존재하지 않는 것처럼 보이지만,
실제로는 동작하고 있는 상태를 나타냄.

즉, "transparent하다"는 말은 "보이지 않지만 동작한다"는 것을 강조하는 표현임.

참고: Logical Address 와 Symbolic Address¶

CPU core에서 데이터에 접근하기 위해 사용하는 logical address가 programmer가 사용하는 address임.

하지만 오늘날 대부분의 programmer는 low level programming(기계어, assembler)를 하지 않기 때문에 variable을 통한 symbolic address를 사용 함.
때문에 실제로 logical address를 사용하는 것은 compiler, linker, interpreter 등의 program임.

Logical Address는 보통 CPU 또는 program이 사용한다고 표기됨.
Symbolic Address는 주로 프로그래머들이 사용함.

3. Address Binding¶

Symbolic address와 logical address, physical address 간의 binding을 의미함.

source code에서는 symbolic address가 사용됨.

Add A B와 같이 A, B로 memory에 저장된 데이터를 가르킴.

compiler 및 linker에 의해서 symbolic address는 logical address로 변환됨 (symbolic address와 logical address간의 binding).

logical address는 cpu와 low level program language를 사용하는 programmer가 사용함.

logical address는 해당 process가 loader에 의해 load되거나, 아니면 실행될 때 MMU등을 통해 physical address로 binding이 됨

load time binding : memory에 적재시 binding.
- loader 가 memory address 부여
- compiler가 재배치가능코드(relocatable code) 를 생성
- 메모리에 비어있는 공간 어디에도 올라갈 수 있음
run time binding : 실행시 binding.
- run time 중에도 process의 memory 위치가 변경가능함.
- cpu에서 memory 접근이 이루어질 때마다 MMU에 의해 address translation이 이루어짐.

과거에는 compile 과정에서 physical address가 결정되던 Compile Time Binding도 있었음.
compiler가 relocatable code가 아닌 absolute code를 생성하는 방식으로 시작위치를 변경하려면 컴파일을 다시 해야함.

MMU 등을 통한 virtual memory는 OS가 문제가 발생한 process의 memory영역을 파악하고 해당 resource를 다시 환수할 수 있음.

때문에 전체 system이 특정 process들의 문제로 down되는 것을 막아주는 효과가 있다.
실제로 VMS (Virtual Memory System)이 도입 된 이후로 C 프로그래밍 실습시간에서 pointer문제로 인해 OS가 뻗는 상황이 일어나는 횟수가 어마어마하게 줄어들었다.

4. Paging과 Segmentation¶

Multiprogramming System의 경우,

memory에 여러 process들이 적재되어야 함.
이를 위해선, 각 process가 사용하는 memory영역이 구분이 되어야 함.

이같은 이유 때문에 오늘날 OS에선

하나의 process가 사용하는 physical memory 영역도
효율적인 사용을 위해 noncontiguous allocation이 이루어짐.

이를 위해 memory 영역은 특정 단위로 나뉘어지게 된다

이때 나누는 단위가 segment와 page 임.

4-1. Paging¶

Memory를 동일한 크기로 자르며, page table이 physical memory 영역(frame)과 virtual memory 영역 간의 매핑을 담당함 (Table Lookaside Buffer 등도 포함됨).

Paging은 Virtual memory와 Physical memory 공간을 고정 크기의 작은 block으로 나눈다.
- Virtual Memory의 상위주소를 이용해 Page Table에서 관련된 Page를 지정함.
- Virtual Memory의 하위주소는 page 내에서의 displacement (or offset)임.
Virtual memory 공간의 block은 page 라고 하고
Physical memory 공간의 block은 frame 이라고 한다.
각 page를 frame에 하나씩 매핑할 수 있어서 대량의 메모리를 연속되어 있지 않은 frame들에 나눠서 놓을 수 있다.

다음 그림은 여러 process의 virtual memory와 physical memory의 관계를 보여줌.

page table을 MMU가 관리함.
page table은 크기가 커서 RAM에 모두 적재하지 않고, 일부만 적재하여 사용.
TLB (Translation Lookaside Buffer)를 사용하여 속도 향상.

여러 process가 데이터를 공유해야하는 경우, shared page (=shared memory) 를 제공.

paging에선 internal fragmentation(내부파편화) 가 발생함. 페이지 크기가 100 바이트이면 크기가 105 바이트인 프로그램은 페이지 2개를 사용하고 95 바이트가 낭비됨.

또한 일부 CPU가 사용하지 않는 영역은 secondary memory에 둘 수도 있음.

참고: Shared Memory

4-2. Segmentation¶

Paging 과 달리 의미 단위(segment)로 Memory를 자름
(ex. 스택, 데이터, 코드 / 함수 하나하나 / 프로그램 전체).

Segment table에서 각 segment별로 segment-number, base, limit 등의 정보를 관리한다.

각 segment별로 protection bit를 할당하여 접근권한을 지정할 수 있음.

segmentation의 경우 external fragmentation(외부단편화) 가 발생함.

외부 단편화(external fragmentation) 는
프로세스가 메인 메모리에서 소멸할 때 다른 프로세스가 올라오는 과정에서 발생한다.
프로세스 소멸 후 그 소멸한 프로세스 파티션 자리에 그보다 작은 프로세스가 올라온다면 남은 파티션이 생긴다.
예를 들어, 위 그림에서 d~f 상황을 보면, 14M짜리 프로세스2가 소멸되면서 8M짜리 프로세스4가 올라오는데 이 과정에서 6M 크기의 남는 파티션이 생긴다. 전체적인 메인메모리를 보면 10M 크기의 메모리가 남는데 10M 크기의 프로세스는 올라갈 수가 없다(f). 이러한 현상이 메인 메모리 상에서 반복해서 발생하다보면 말 그대로 구멍이 숭숭 뚫린 메인 메모리가 될 것이다.
그 구멍(남는 파티션)들은 각각 사용할 수 있지만 한 프로세스가 올라가기에는 각각의 크기가 너무 작아 올라갈 수 없는 이런 현상을 외부 단편화 라고 한다.

4-3. Paging vs. Segmentation¶

Segmentation의 경우 가변 길이로 memory가 나누어지기 때문 에

external fragment 가 보다 쉽게 발생한다는 단점이 있으나
paging 에 비해 상대적으로 table 크기가 작은 장점을 가지며
동시에 메모리에 로드될 수 있는 프로그램의 숫자에 제한이 없다는 장점 등을 가짐.

오늘날 OS는 paging 과 segmentation 이 같이 사용됨
(segment로 먼저 나누고 한 segment가 page로 나누어지는 방식 등이 사용됨)