[OS] Paging & Segmentation

William Stallings의 『Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.)』 을 토대로 작성하였음.

👑 Paging

Paging은 OS가 메모리를 할당 및 관리하는 방법 중 하나이다.

페이징의 목적은 physical memory와 virtual memory 간의 매핑을 통해 메모리 사용의

효율을 극대화하고, 메모리 공간을 잘 관리하도록 하기 위한 것이다.

Page

• virtual memory를 고정된 크기의 블록으로 나눈 단위이다.

• 프로세스의 조각이라고 볼 수 있다.

Frame

• physical memory를 페이지와 동일한 크기로 나눈 단위이다.

• 메인 메모리의 조각이라고 볼 수 있다.

Paging의 특징

• 한 프로세스의 page는 불연속적으로 메인 메모리에 로드될 수 있다.

• 따라서, 프로세스의 특정 page가 메인 메모리의 어떤 frame에 위치하는지에 대한 정보가 필요하다.

• OS가 프로세스마다 존재하는 Page Table을 통해 관리한다.

• Page Table은 각 프로세스에 대해 가상 메모리 주소와 물리 메모리 주소 간의 매핑 정보를
  저장하는 데이터 구조로 PCB에 저장되어 있다.

• 외부 단편화가 발생하지 않지만, 프로그램의 마지막 조각에서 내부 단편화가 발생할 수 있다.

💡 Address Translation in Paging

Paging 방법에서는 page number와 offset을 사용하여 logical address를

physical address로 변환하는 translation을 수행한다.

가정

• 페이지 크기 = 1 KB

• logical address 크기 = 16 bits

• 사용자 프로세스의 크기 = 2700 bytes

• 프로세스의 relative address = 1502

풀이

사용자 프로세스는 2700 bytes이며, 페이지 크기는 1024 bytes이므로 3개의 page에 저장된다.

상대 주소가 1502로 1024보다 크고, 2048보다 작으므로, 2번째 페이지에 위치할 것이다.

1502를 이진수로 변환하면 $ 1502_{10} = 0000010111011110_2 $ 이고,

논리 주소는 page number와 offset으로 나뉘는데, 페이지 크기가 1 KB이므로, 10비트는

offset을, 나머지 6비트는 페이지 번호를 나타낸다.

👑 Segmentation

Segmentation은 OS가 메모리를 관리하는 방법 중 하나로, 프로그램과 데이터의 논리적 구조를

반영하여 메모리를 다루는 기법이다. 프로그램을 Segment라는 단위로 나눠 관리한다.

Segment

• 세그먼트는 프로그램과 데이터가 논리적으로 구분된 블록이다. 예를 들어, 코드 세그먼트, 데이터
  세그먼트, 스택 세그먼트 등이 있다.

• 각 세그먼트는 동일한 유형의 데이터를 포함하며, 크기가 서로 다를 수 있다.

Segment Table

• 각 세그먼트는 세그먼트 테이블에 의해 관리된다.

• 세그먼트 테이블에는 각 세그먼트의 시작 주소(base address)와 길이(limit)가 저장된다.

• 이를 통해 특정 세그먼트에 접근할 때 물리적 메모리 주소를 계산할 수 있다.

Segmentation의 특징

• dynamic partitioning 방법과 유사하다. (segment이 곧 파티션)

• 동적 할당과의 차이점은 segmentation의 경우 프로그램이 하나 이상의 파티션을 차지할 수
  있고, 파티션들이 연속적일 필요는 없다는 것이다.

• 내부 단편화가 없지만, 외부 단편화가 존재한다. (외부 단편화가 상대적으로 적긴 함)

• 페이징 기법에서와 같이 logical address를 segment number와 offset으로 나눈다.

• 사용자 프로그램의 전체 크기는 모든 세그먼트 크기의 합과 같다.
  e.g. 코드 세그먼트 = 10KB, 데이터 세그먼트 = 5KB, 스택 세그먼트 = 2KB라면,
  전체 프로그램 = 17KB

💡 Address Translation in Segmentation

Paging 방법처럼 logical address를 두 영역 segment number와 offset로 나눠

physical address로 변환하는 translation을 수행한다.

가정

• Segment의 최대 크기 = 4 KB

• logical address 크기 = 16 bits

• 사용자 프로세스의 크기 = 2700 bytes

• segment 0의 크기 = 750 bytes

• segment 1의 크기 = 1950 bytes

• 프로세스의 relative address = 1502

풀이

우선 segment의 최대 크기가 4 KB = $ 2^{12} $ 이므로, offset을 나타내기 위해서는

12 bits 가 필요하다. 따라서, 16 bits 논리 주소에서 4 bits를 segment number에 사용한다.

segment 0의 크기가 750 bytes이므로, 상대 주소 1502는 segment 1에 위치할 것이다.

또한, segment 1에서 752(1502 - 750)만큼 떨어진 위치에 존재할 것이므로, offset은 752이다.

$ 752_{10} = 001011110000_2 $ -> offset

👑 요약

메모리 관리는 OS의 가장 중요하고 복잡한 일 중 하나로 여러 장치들을 효율적으로 사용하기

위해서는 가능한 한 많은 프로세스들을 메인 메모리에 유지하는 것이 바람직하다.

메모리 관리의 기본적인 방법인 paging과 segmentation이 있다.

paging은 프로세스를 고정된 크기의 page로 나누며, segmentation은 크기가 동일하지 않은

segment로 나눠 사용한다. 하나의 메모리 관리 기법 안에서 둘을 결합하여 사용하는 것도 가능하다.