[운영체제] Address Translation

주소 변환

메모리 가상화는 CPU 가상화와 비슷하게 제한적 직접 실행(Limited Direct Execution; LDE) 전략을 따릅니다.

효율성과 제어를 동시에 달성하기 위해 하드웨어의 도움을 받습니다. (레지스터, TLB, 페이지 테이블....)

 

주소 변환은 하드웨어가 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정을 의미합니다. (실제 데이터는 물리 주소에 저장되어 있기 때문)

OS는 주요 시점에 개입해 하드웨어를 세팅해주어, 어떤 메모리 영역이 사용중이고, 어떤 영역이 비어있는지를 관리합니다. 

 

설명을 단순화 하기 위해 3가지 가정을 설정하고 진행하겠습니다. 

1. 사용자 주소 공간은 물리 메모리에 연속적으로 배치됨
2. 주소 공간 크기는 물리 메모리보다 작음
3. 모든 주소 공간은 정확히 같은 크기임

 

주소 변환 예시

void func()
    int x;
    ....
    x = x + 3

 

이 코드는 어셈블리로 아래와 같이 변환됩니다.

128 : movl 0x0(%ebx), %eax   ; load 0+ebx into eax
132 : addl $0x03, %eax       ; add 3 to eax register
135 : movl %eax, 0x0(%ebx)   ; store eax back to mem

 

실행 과정을 정리해보면

• 주소 128의 명령어를 fetch → execute (주소 15KB에서 값을 load)
• 주소 132의 명령어를 fetch → execute (메모리 참조 없음, 레지스터 연산만)
• 주소 135의 명령어를 fetch → execute (주소 15KB에 값을 store)

이때 128, 132, 135는 모두 가상 주소입니다.

 

주소 공간 재배치 (Relocation)

OS는 프로세스를 물리 메모리의 주소가 0이 아닌 다른 공간에 배치하기를 원합니다. (0번지에는 보통 운영체제가 있어서)

이를 위한 방법으로는 크게 두 가지 방법이 있습니다.

 

정적 재배치 (Static Relocation)

소프트웨어 기반의 재배치 방식입니다. 

• OS가 프로그램을 메모리에 로드하기 전에 프로그램을 재작성(rewrite)합니다.
• 정적 데이터와 함수의 주소를 전부 새 위치에 맞게 수정합니다. 

장점

• 별도의 하드웨어 지원이 필요하지 않습니다.

단점

• 보호가 전혀 되지 않습니다. 한 프로세스가 OS나 다른 프로세스의 메모리를 망가뜨릴 수 있습니다.
• 프라이버시가 없어 어떤 메모리 주소든 읽을 수 있습니다.
• 한 번 배치하면 메모리 주소를 옮길 수 없습니다.
• 외부 단편화로 인해 새 프로세스를 할당하지 못할 수 있습니다.

 

동적 재배치 (Dynamic Relocation)

• MMU(Memory Management Unit)이 모든 메모리 참조 명령에 대해 주소 변환을 수행합니다.
• 하드웨어가 보호를 강제해서, 가상 주소가 유효 범위를 벗어나면 MMU가 예외를 발생시킵니다.
• OS는 현재 실행중인 프로세스의 유효한 주소 공간 정보를 MMU에 전달합니다.

$$Physical\,addresss=Virtual\,address + base$$

$$0 <= virtual\,address < bounds$$

 

프로그램이 시작될 때, OS가 프로세스를 물리 메모리에 어디에 놓을 지 결정하고, base 레지스터에 시작 주소를 세팅합니다. 

모든 가상 주소는 bounds 보다 작고, 양의 값을 가져야 합니다. 

 

예시 ) 

주소 공간이 물리 메모리의 32KB 지점에 배치되어 있다면 (base=32KB)

128 : movl 0x0(%ebx), %eax

• 가상 주소 128번지의 명령어를 fetch -> 실제로는 128 + 32KB = 32896 번지에서 fetch
• 가상 주소 15KB에서 값을 load -> 실제로는 15KB + 32KB = 47KB번지에서 load

 

OS가 메모리 가상화를 위해 해야 할 일

base-and-bounds 방식을 구현하기 위해 OS는 세 가지 중요한 시점에 개입이 필요합니다. 

• 프로세스가 시작될 때
  • OS는 새 주소공간이 들어갈 공간을 물리 메모리에서 찾아야 합니다. 이를 위해 Free List를 관리합니다.
• 프로세스가 종료될 때
  • OS는 프로세스가 쓰던 메모리를 다시 Free List로 반환해야 합니다.
• context switch가 발생할 때
  • OS는 현재 프로세스의 base-and-bounds 쌍을 저장하고, 다음 프로세스의 값을 복원해야 합니다. 
  • 이 정보는 PCB(Process Control Block)에 저장됩니다.