[Memory management] Paging

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2024.05.01 - [IT/컴퓨터구조, 운영체제] - [Memory management] Memory virtualization, Dynamic relocation, Segmentation

[Memory management] Memory virtualization, Dynamic relocation, Segmentation

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💡3. Paging

 

메커니즘

✅page & page frame

address space는 여러 개의 page(고정 크기)로 나뉨,

physical memory는 여러 개의 page frame으로 나뉨 

 

✅Page table: address translation (virtual -> physical)

- entry(=PTE(page table entry))의 array 형태이며, VPN을 이용해 PTE의 주소를 얻을 수 있음.

- 각 process마다 존재함

- 메모리에 존재함

virtual: VPN(Virtual Page Number) + offset
physical: PFN(Page Frame Number) + offset

- offset: virtual과 physical에서 같음. 특정 page 내에서의 주소를 나타냄.

 

예시

기본적으로, 
virtual address: VPN + offset,
physical address: PFN + offset 이다.

 

이 예시에서는, 

address space: 전체 크기 64바이트, page 16바이트

physical memory: 전체 크기 128바이트, page frame 16바이트 라고 하자.

 

그러면 아래처럼 된다:

- offset: 4비트임.

   ∵ page의 크기는 16바이트이므로, 즉 16개의 시작 주소를 표현할 수 있어야 하는데, 4비트가 있으면 2^4 = 16개 표현 가능

- VPN: 2비트임.

   ∵ address space의 전체 크기가 64바이트이고, page는 16바이트이므로, page의 총 개수는 64 / 16 = 4 = 2^2개

- PFN: 3비트임.

   ∵ physical memory의 전체 크기가 128바이트이고, page frame은 16바이트이므로, page frame의 총 개수는 128 / 16 = 8 = 2^3개

 

TLB(Translation Lookaside Buffer)

✅TLB가 없을 때: Paging이 너무 느리다.

 

▶example

아래 코드를 실행한다 생각해보자.

 

이때 현재 프로세스의 address space는 아래와 같다 하자.

 

그러면...

a array의 각 요소에 접근할 때마다,

page table look up: 우선 해당 요소가 들어있는 page의 PTE를 찾고 (-> +1회), 

memory access: 비로소 해당 요소에 실제로 접근할 수 있다 (-> +1회).

 

👉총 memory access 횟수 = page table look up 10회 + memory access 10회 = 20회 -> 오래 걸린다.

 

 

✅TLB가 있을 때: TLB의 메커니즘은?

 

TLB는 MMU(Memory Management Unit)의 일부이며, 자주 사용되는 virtual->physical address translation의 cache이다.

이를 통해 spatial/temporal locality를 높여 성능을 향상한다.

Fully associative 방식으로 관리된다.

 

▶example  

위 예시를 계속 보자.

 

여기서는...

a array의 각 요소에 접근할 때마다,

TLB look up: 우선 해당 요소가 들어있는 page의 VPN이

   이미 TLB에 있으면 그대로 갖다 쓰고 (-> +0회),

   아직 없으면 page table look up을 한다 (-> +1회).

memory access: 비로소 해당 요소에 실제로 접근할 수 있다 (-> +1회).

 

👉총 memory access 횟수 = page table look up 3회 + memory access 10회 = 13회 -> 좀 빨라졌다.

 

▶ASID(Address Space Identifier)

두 프로세스가 각자 자신의 address space의 특정 page 정보를 TLB table에 실었는데,

그 page가 VPN이 서로 같다면?! 어느 프로세스의 것인지 어떻게 구별할 것인가?

-> ASID: 해당 page 정보가 온 프로세스의 address space의 ID를 추가적으로 기록해둔다. 

 

강점

- Flexibilty: address space의 효과적인 abstraction

- Simplicity: free-space의 편리한 관리