Memory

CPU 와 메모리

CPU 는 컴퓨터의 명령 해석, 데이터 처리를 실행 하는 장치 이다. 메모리 는 이러한 CPU 가 처리할 데이터, 혹은 프로세서가 빠르게 접근할 수 있도록 명령어를 저장 하는 장치 이다.

CPU 는 메모리에 직접 접근할 수 있다. 따라서 CPU 에서 메모리에 접근하여 데이터를 읽고 쓰는 속도가 프로그램 실행 속도, 즉 컴퓨터의 성능에 큰 영향을 미친다.

출처 : Understanding your Computer Memory and CPU

종류

메모리는 크게 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)으로 나뉘며, 이 둘은 주 메모리(Main Memory) 라고도 불린다.

RAM

  • 현재 실행중인 프로그램, 데이터와 명령어를 저장하는 휘발성(일시적) 메모리. 모든 실행되는 프로그램이 존재하기 때문에 속도가 빨라야한다.
  • 1차 메모리라고도 불리운다.
  • 프로세스가 적재되는 메모리 는 RAM 을 의미한다.
  • 일반적으로 “메모리” 는 보통 RAM 을 의미한다고 볼 수 있다.

ROM

  • 비휘발성 메모리로, 전원이 꺼져도 데이터가 유지. RAM 에 비해 속도가 느리다.
  • 부팅 과정에서 필요한 필수 명령어를 저장하는 데 사용.

HDD (Hard Disk Drive)

  • 속도가 느리다. 2차 저장장치 혹은 보조 기억 장치 라고도 불리운다.
  • ROM 과 마찬가지로 비휘발성 메모리이다.

주소

메모리(물리 메모리) 는 1바이트 의 크기를 가지는 주소 라는 것으로 이루어진다.

물리 / 논리 주소

  • 물리 주소는 RAM 사용하는 주소 를 의미한다.
  • 논리 주소는 CPU와 실행중인 프로그램(프로세스)가 참조하는 주소이다.

즉, RAM 을 구성하고 있는 주소는 물리 주소, 프로세스를 구성하고 있는 주소는 논리 주소 임을 알 수 있다.

논리 주소 -> 물리 주소

CPU 는 논리 주소를 참조한다. RAM 에 접근하려면 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 과정이 필요하다. 이를 실행하는 유닛이 MMU(Memory Management Unit, 메모리 관리 장치) 이다.

출처 : [10분 테코톡] 채채의 가상 메모리 이미지에는 페이지 테이블 이라고 적혀있는데

메모리 관리

메모리 관리 작업은 크게 가져오기(Fetch), 배치(Placement), 재배치(Replacement)로 구분된다.

  • 메모리 가져오기 : 실행할 프로세스와 데이터를 메모리로 가져오는 작업
  • 메모리 배치 : 가져온 프로세스와 데이터를 메모리의 어떤 부분에 올려놓을지 결정하는 작업. 그리고 메모리를 어떤 크기로 나누는 지 결정하는 작업. 페이징, 세그먼테이션이 메모리 배치 방법에 해당한다.
  • 메모리 재배치 : 꽉 찬 메모리에 새로운 프로세스를 가져오기 위해 오래된 프로세스를 내보내는 작업

메모리 배치 전략

  • 가변 분할 방식 (세그멘테이션) : 프로세스의 크기에 따라 프로세스 별로, 메모리를 나누는 방식. 세그먼트 라는 단위로 나뉘게 된다.

  • 고정 분할 방식 (페이징) : 페이지라고 불리우는 영역으로 모든 메모리를 0부터 시작하여 고정적인 값으로 번호를 매겨 관리. 페이지 라는 단위로 나뉘게 된다.

물리 메모리 (Physical Memory)

  • RAM (혹은 때때로 RAM 에 존재하는 데이터)을 의미한다. 물리 메모리는 이러한 가상 메모리를 설명할 때, 가상 메모리와 구분하기 위한 의미로 사용되는 용어 라고 볼 수 있다.
  • 독자적인 의미를 띄기도 하지만, 가상 메모리 라는 개념을 설명하는 것에서 비롯되어 가상 메모리와 구분하기 위한 의미로 사용되는 용어라고 볼 수 있다.

주소

  • 하나의 프로세스에 해당하는 주소 공간이 연속적으로 이어진 구조이다. 따라서, 보통 세그먼테이션 방식으로 분할되어 세그먼트 단위로 나뉘게 된다.
  • 물리 메모리를 구성하는, 혹은 물리 메모리를 관리할 수 있는 최소 단위는 1바이트 이다. 이 1바이트 마다 주소 라는 것이 할당된다.
  • 주소가 저장할 수 있는 크기는 CPU, OS 에 의존한다. 예를 들어 주소가 32비트 를 저장할 수 있다면, 해당 CPU 의 최대 메모리크기는 4GB 가 된다. (32비트가 표현할 수 있는 정보의 가지수는 4,294,967,296, 이를 바이트로 환산하면 4GB 이다.)

가상 메모리 (Virtual Memory)

  • 제한된 메모리(물리 메모리) 로 더 많은 프로그램을 실행시키기 위한 기술 혹은 개념

    물리 메모리는 RAM (혹은 때때로 RAM 에 존재하는 데이터) 를 의미한다. 물리 메모리는 이러한 가상 메모리를 설명할 때, 가상 메모리와 구분하기 위한 의미로 사용되는 용어 라고 볼 수 있다.

  • 사용 가능한 메모리의 범위를 RAM 에서, Swap 영역(HDD) 를 포함하는 것으로 확장시키는 추상화의 개념이라고 볼 수 있다.

    Swap 영역은 주 메모리 의 용량이 부족할 때, 문제가 생기는 것을 방지하고자 2차 기억장치(보조 기억 장치)인 HDD 의 공간을 활용하여 메모리 역할을 할 수 있도록 도와주는 영역을 의미한다.

    출처 : [10분 테코톡] 채채의 가상 메모리

  • 가상(Virtual) === 논리(Logical) 라고 볼 수 있다.

주소

  • 어느 위치에 있던, 항상 0부터 시작한다.
  • 이론적으로는 가상 메모리의 크기는 무한대이지만, 실제로 가상 메모리의 최대 크기는 컴퓨터 시스템이 가진 물리 메모리의 최대 크기로 한정된다. 즉, CPU 비트에 따라 결정된다.
  • 주로 세그멘테이션 과 페이징 을 혼용한 기법을 많이 사용한다.

페이징 기법 에서의 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 방법

필요한 이유

앞서 얘기했 듯, 가상 메모리는 고정 분할 방식으로 나누어져 주소는 위치에 상관 없이 항상 0부터 시작한다. 하지만 물리 메모리의 주소는 가변 분할 방식으로 나누어지며 연속적이다.

예를 들어 프로세스 1, 2, 3 이 적재된 가상 메모리가 3개 있다. 각 가상 메모리에서는 같은 주소, 100번의 주소에 데이터를 가지고 있다. 하지만 이를 물리 메모리에서 생각하면, 각 데이터는 100번의 주소에 있다고 생각할 수없을 것이다. 앞서 얘기했듯, 메모리를 나누는 방식이 다르기 때문이다.

따라서 가상 메모리의 페이지를, 물리 메모리의 세그먼트와 맵핑하여 변환하는 기능이 필요하다.

작동 원리

페이지 테이블이란 페이지를 실제 물리 주소 정보와 매핑한 표를 담고 있는 테이블 이다. 프로세스 마다 하나씩 가지고 있다.

요구 페이징

필요한 프로그래만만 메모리에 올려 실행하고 나머지 프로그램은 사용자가 특정 기능을 요구할 때와 같이 필요하다고 판단될 때 메모리로 불러온다. 이렇게 사용자가 요구할 때 해당 페이지를 메모리로 가져오는 것을 요구 페이징이라고 한다. 페이징은 메모리 배치 전략의 일종이었다면, 이러한 요구 페이징은 메모리를 가져올 때 고려하는 메모리 가져오기 전략의 일종이다.

운영체제에서 중요한 이유

  • 물리 메모리에 대한 의존성 제거
    • 컴퓨터 마다 물리 메모리의 크기는 다르다. 만약 소프트웨어가 이러한 물리 메모리에 의존한다면, 크기가 다른 컴퓨터마다 다른 버젼의 소프트웨어를 사용해야할 것이다. 첫번째로 가상메모리는 이러한 소프트웨어의 물리메모리에 대한 의존성을 없애준다.
  • 메모리를 관리하는 측면에서 의의가 있다. MMU 역시 운영체제에서 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 현대 메모리는 프로그램을 실행하는 공간이기에, 메모리 를 관리하는 것은 여러 프로그램을 실행하는 멀티프로그래밍 환경에서 아주 중요한 부분이다. 가상 메모리는 물리 메모리의 크기와 프로세스가 올라갈 메모리의 위치를 신경 쓰지 않고 프로그래밍하도록 지원한다는 것이다.

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가상 메모리 개요,[운영체제] 물리 메모리 관리, [운영체제] 가상 메모리

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