1. 가상메모리 등장 배경

• 물리 메모리
  • 앞서 배운 물리메모리에 프로세스를 올리는 것은 항상 ‘프로세스 전체'가 메모리에 올라와야 했다.
  • But, 물리 메모리가 아무리 커도 딱 그만큼만 올릴 수 있음
  • 프로그램은 보통 방어적으로 작성된다. (예외 코드 쏘매니) → 굳이 다 올릴 필요가 있을까?
  • 주소 변환에 하드웨어 장치가 사용될 뿐, 운영체제는 전혀 관여하지 않는다.
• 가상 메모리
  • ‘프로세스 전체'를 메모리에 올리지 않고 필요한 부분만 올려서 실행하자!
  • (프로세스를 자른다. → 필요한 부분만 페이지 테이블에 올린다. → 테이블에 올라온 페이지만 물리 메모리에 매핑한다.)
  • 주소 변환에 전적으로 운영체제가 관여한다.

2. Demand Paging

• CPU 요청이 있는 프로세스에 대해 해당 페이지를 물리적 메모리에 적재한다.
  • Page Fault
    • CPU가 요청한 페이지가 물리적 메모리에 올라와 있지 않은 경우
    • 해당하는 페이지를 디스크에서 찾아 물리적 메모리에 올려야 한다.
      • 물리적 메모리에 빈 frame이 없는 경우 → Page 교체
• 프로세스를 잘라서, 필요한 페이지만 가상 메모리에 적재
• 장점
  • 메모리 효율을 높인다.
  • 프로그램이 메모리 크기 제약을 받지 않음
  • I/O 양의 감소
    • 필요한 페이지만 올리기 때문에
    • 멀티 프로그래밍 환경에서 좋다.

  • 빠른 응답시간

  • 더 많은 사용자 수용

1. Valid/Invalid bit

• Valid
  • 페이지가 물리적 메모리에 올라와 있음
• Invalid
  • 페이지가 물리적 메모리에 올라와 있지 않음
  • 사용되지 않는 주소 영역
    • Page table은 무조건 주소 공간의 크기만큼 생성되기 때문에 사용되지 않는 주소 공간 존재

2. 요구 페이징 작동 로직

• CPU가 페이지 요청, Page Fault가 일어난 경우

  1. Page table의 해당 페이지가 invalid bit

  2. MMU가 Trap을 발생시킴

     → Trap이 걸려서 CPU가 운영체제로 넘어감

     운영체제 : 잘못된 요청인지 확인(없는 주소 , protection violation 등) → abort

  3. 정상적인 메모리 요청 → 운영체제가 물리적 메모리에서 빈 프레임 얻기

     1. 빈 페이지가 없다면 → 강제로 하나 뺏어서 페이지 교체 (Page Replacement)

  4. 해당 페이지를 디스크에서 메모리로 읽어온다.

     • Disk I/O가 끝날 때까지 CPU반납 (Blocked)

  5. Disk Read가 끝나면 Page table entry 기록한다.

     • Valid/Invalid bit에 “valid” 기록

  6. 해당 프로세스를 ready queue에 삽입한다.

     • 이후 다시 CPU를 잡아 Run할 때, page fault가 일어나지 않고 정상적으로 MMU를 통한 주소 변환이 가능해진다.

3. Page Fault 비율

• Effective Access Time = (1-p) * 메모리 접근 시간 + p * 엄청난 시간
  • 대부분의 경우는 page fault가 일어나지 않고, (0.9)
  • 0.1의 경우에 page fault가 나서 디스크 I/O접근 작업을 해야함
    • 이건 엄청난 오버헤드
    • 운영체제가 CPU받아서 디스크 접근, 접근해서 읽어오고, valid비트도 조절하고 등등..

3. Page Replacement

• Page Fault가 일어나서 운영체제가 물리적 메모리에 새로 올리려고 하는데, 아뿔싸 메모리에 공간이 없다!
  • 어떤 페이지를 쫓아내면 칭찬을 받을까?
  • Page Fault rate이 낮은 페이지를 쫓아내자!

1. Optimal Algorithm