메인 메모리의 구조 1 - 하루 10분 운영체제 9일차Main Memory Structure 1 - 10 Minutes of OS Day 9
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들어가기 전에 🔗
운영체제에서 메인 메모리는
프로세스가 실행되기 위해 반드시 필요한 공간
입니다. 우리가 어떤 프로그램을 실행하면 그 내용은 하드디스크에서 메인 메모리(RAM)로 올라오고, CPU는 이 메모리에 접근해 명령어를 처리합니다.
이번 글에서는 메인 메모리의 구조와 대표적인 메모리 할당 방식, 그리고 현대 CPU 아키텍처에 따른 메모리 구조까지 간단한 예시와 함께 알아보겠습니다.🚀
메인 메모리란? 🔗
메인 메모리(Main Memory) 또는 RAM(Random Access Memory)은
프로그램이 실행되기 위해 일시적으로 저장되는 공간
입니다. 속도는 빠르지만 전원이 꺼지면 내용이 사라지며, 운영체제는 메모리를 효율적으로 분배하고 관리하는 기능을 담당합니다.🚀
연속 메모리 할당 🔗
초기의 운영체제는 연속된 공간에 프로그램을 적재하는
연속 할당(Contiguous Allocation)
방식을 사용했습니다.
이 방식에는 다음과 같은 세 가지 전략이 있습니다:- 최초 적합(First Fit): 처음으로 맞는 빈 공간에 배치
- 최적 적합(Best Fit): 가장 크기가 가까운 공간에 배치
- 최악 적합(Worst Fit): 가장 큰 공간에 배치
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최초 적합 (First Fit) 🔗
가장 먼저 발견한 적절한 빈 공간
에 배치합니다.- 장점: 탐색 속도가 빠릅니다.
- 단점: 앞부분에 조각화가 심하게 생길 수 있습니다. 빈 공간: [30, 100, 50] 요청: 40 → 100에 배치 (첫 번째 맞는 공간)
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최적 적합 (Best Fit) 🔗
요청 크기보다 크면서 가장 크기가 근접한 공간
을 선택합니다.- 장점: 공간 낭비를 줄일 수 있습니다.
- 단점: 작은 조각이 많이 생겨 나중에 사용이 어려울 수 있습니다. 빈 공간: [30, 100, 50] 요청: 40 → 50에 배치 (가장 근접)
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최악 적합 (Worst Fit) 🔗
가장 큰 공간
에 배치하여, 나머지 공간을 크게 남기려는 전략입니다.- 장점: 큰 조각이 남아 다른 큰 작업에 재활용 가능
- 단점: 전체 공간 활용률은 떨어질 수 있습니다. 빈 공간: [30, 100, 50] 요청: 40 → 100에 배치 (가장 큼)
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페이징(Paging) 🔗
현대 운영체제는 대부분
페이징(Paging)
방식을 사용합니다. 프로그램을 일정한 크기(페이지)로 나누고, 메모리 공간도 같은 크기의 프레임으로 나눈 뒤 매핑하는 방식입니다.
장점은 메모리를 연속적으로 배치하지 않아도 된다는 점이며, 조각화 문제를 어느 정도 해소할 수 있습니다.
페이징 구조도
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페이지 테이블 구조 🔗
페이지 테이블은 페이징 시스템에서 가장 핵심이 되는 구조입니다.
가상 주소
를 물리 주소
로 변환하기 위한 일종의 주소책 같은 역할을 하죠.
쉽게 말해, 컴퓨터가 가상 주소라는 '별명'을 사용하면, 운영체제는 페이지 테이블을 참고해 진짜 물리 주소를 찾아주는 역할을 합니다.✅
왜 페이지 테이블이 필요한가요? 🔗
우리가 어떤 프로그램을 실행하면, 그 프로그램은 실제 메모리 주소가 아닌
가상의 주소
를 사용합니다. 이 가상 주소를 실제 메모리 주소로 바꿔주는 역할을 하는 것이 바로 페이지 테이블입니다.
예를 들어, 책에서 '1장 5페이지'를 읽으라고 하면, 진짜 물리적인 책의 123페이지일 수도 있잖아요? 마찬가지로, 프로그램이 요청한 주소(예: 0x04FF)는 실제 메모리의 다른 위치에 있을 수 있습니다. 이 연결을 기록해둔 지도가 페이지 테이블입니다.✅
페이지 테이블 항목 구성 🔗
페이지 테이블의 한 줄에는 다음과 같은 정보들이 들어 있습니다
| 항목 | 설명 |
|---|---|
| 페이지 번호 | 가상 주소의 몇 번째 페이지인지 표시합니다 |
| 프레임 번호 | 실제 메모리의 어떤 블록(프레임)에 저장되었는지 |
| 유효 비트 | 해당 페이지가 메모리에 있는지 (0이면 디스크에 있음) |
| 접근 권한 | 읽기 전용인지, 쓰기도 되는지 등을 결정 |
| 변경 비트 | 이 페이지가 변경되었는지 (디스크에 다시 써야 하는지 여부) |
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가상 주소는 어떻게 나뉘나요? 🔗
가상 주소는 두 부분으로 나뉘게 됩니다:
- 페이지 번호 (Page Number)– 이 주소가 몇 번째 페이지에 있는지
- 오프셋 (Page Offset)– 해당 페이지 안에서 몇 번째 위치인지
마치 책에서 "5장 13번째 줄"을 찾는 것과 같아요.
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예시: 가상 주소 0x04FF을 풀어보면? 🔗
- 페이지 크기: 256바이트
- 가상 주소 0x04FF = 1279 (10진수) 그럼,
- 페이지 번호:
1279 ÷ 256 = 4 - 오프셋:
1279 % 256 = 255즉, 0x04FF는4번 페이지의 255번째 바이트를 의미합니다. | 가상 주소 (Hex) | 10진수 | 페이지 번호 | 오프셋 | 의미 | |----------------|--------|--------------|--------|------| | 0x04FF | 1279 | 4 | 255 | 4번 페이지의 255번째 바이트 | | 0x030A | 778 | 3 | 10 | 3번 페이지의 10번째 바이트 | | 0x0100 | 256 | 1 | 0 | 1번 페이지의 첫 번째 바이트 | | 0x00F0 | 240 | 0 | 240 | 0번 페이지의 240번째 바이트 |
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실제 주소 변환 예시 🔗
페이지 테이블이 다음과 같다고 가정합시다:
| 페이지 번호 | 프레임 번호 |
|---|---|
| 0 | 7 |
| 1 | 3 |
| 3 | 6 |
| 4 | 9 |
이 경우 0x04FF → 페이지 4 → 프레임 9 → 물리 주소 =
9 x 256 + 255 = 2559
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결론: 0x04FF는 실제 메모리의 2559번 주소를 의미합니다🚀
다단계 페이지 테이블 🔗
운영체제는 큰 프로그램을 실행할 때, 너무 커서 한 번에 다 관리하기 어려운
페이지 테이블
을 나눠서 관리합니다. 이게 바로 다단계 페이지 테이블(Multi-level Page Table)
입니다.✅
왜 다단계로 나눌까요? 🔗
단일 페이지 테이블은 주소 공간이 크면 너무 커져서 메모리를 많이 차지합니다. 예를 들어:
- 32비트 주소 공간 (4GB)
- 페이지 크기 4KB → 총 페이지 수:
2³² ÷ 2¹² = 2²⁰ = 1,048,576 - 즉, 항목이 100만 개 넘음
→ 이걸 통째로 메모리에 올려놓는 건 부담이 됩니다.
그래서 필요한 것만
계층적으로 나눠서 부분적으로
메모리에 유지합니다.✅
아파트 단지 주소처럼 🔗
생각해보세요.
📮 "강남구 301동 2층 5호"라고 할 때, → 먼저 구, 다음에 동, 그 다음 층, 마지막에 호수를 찾죠.
다단계 페이지 테이블도 마찬가지입니다
- 상위 페이지 번호→ 페이지 디렉터리에서 하위 테이블 찾기
- 하위 페이지 번호→ 실제 페이지 테이블에서 프레임 정보 찾기
- 오프셋→ 최종 주소 계산
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예시 계산 🔗
- 주소 크기: 32비트 (가상 주소는 4바이트)
- 페이지 크기: 4KB (2¹²바이트)
- 한 테이블당 1024개 항목 (2¹⁰) → 32비트 주소 = 10비트 (상위) + 10비트 (하위) + 12비트 (오프셋)
| 필드 | 비트 수 | 의미 |
|---|---|---|
| 상위 인덱스 | 10비트 | 페이지 디렉터리 인덱스 |
| 하위 인덱스 | 10비트 | 실제 페이지 테이블 인덱스 |
| 페이지 오프셋 | 12비트 | 해당 페이지 안의 위치 |
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주소 변환 흐름 🔗
- 가상 주소:
0x12345678 - 2진수로 변환:
0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 - 상위 10비트:
0001001000= 72 → 디렉터리 인덱스 - 중간 10비트:
1101000101= 837 → 페이지 테이블 인덱스 - 하위 12비트:
011001111000= 1656 → 오프셋
→ 페이지 디렉터리 72번 항목 → 페이지 테이블 837번 항목 → 프레임 번호 + 1656 → 최종 물리 주소
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요약 🔗
이번 글에서는 메인 메모리의 기본 개념과 할당 방식, 페이지 테이블 구조에 대해 살펴봤습니다. 다음 글에서는 페이지 테이블 최적화 기법인 TLB와 스와핑 기법에 대해 알아보겠습니다.
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참고 🔗
- Operating System Concepts (10th Edition)
- https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_management↗
- https://developer.arm.com/documentation↗