동적 주소 변환

Dynamic Address Translation; DAT; 동적 주소 변환
가상 메모리를 쓰는 시스템에서, 프로그램이 실행되는 동안 가상 주소를 주기억장치의 실제(물리) 주소로 바꾸는 일

개요

가상 메모리를 쓰면 프로그램은 실제 기억장치 크기와 상관없는 가상 주소로 작성되고, 실행 중 명령이 메모리를 참조할 때마다 이 주소를 실제 주소로 바꿔야 한다. 변환을 적재 시점에 한 번 하지 않고 실행하는 동안 참조할 때마다 하기 때문에 '동적'이라고 부른다. 가상 주소와 실제 주소의 대응 관계를 주소 매핑(사상, mapping)이라 한다.

운영체제는 프로세스마다 대응표(페이징이면 페이지 사상표, 세그먼테이션이면 세그먼트 사상표)를 만들어 둔다.
실제 변환은 하드웨어인 메모리 관리 장치(MMU)가 이 표를 읽어 처리한다.
모든 메모리 참조에 끼어드는 작업이므로 DAT 의 속도가 곧 시스템 성능을 좌우한다. 그래서 대응표를 어디에 두느냐에 따라 아래 세 가지 사상 방식이 나뉜다.

페이징에서의 변환

가상 주소를 (페이지 번호 p, 변위 d) 로 나눈다.

페이지 번호 p 로 페이지 사상표를 찾아 그 페이지가 올라가 있는 페이지 프레임 번호 p′ 를 얻는다
실제 주소 = p′ 의 시작 주소 + d
표에 해당 페이지가 주기억장치에 없다고 표시돼 있으면 페이지 부재가 일어나 운영체제가 보조기억장치에서 읽어 온다(가상 메모리 페이지 교체)

사상 방식 세 가지

직접 사상

Direct Mapping

페이지 사상표 전체를 주기억장치에 둔다. 사상표의 시작 주소는 페이지 사상표 기준 레지스터에 담는다.
데이터 한 번을 읽으려면 사상표를 읽는 접근 한 번 + 실제 데이터를 읽는 접근 한 번, 모두 주기억장치를 두 번 참조한다.
비용이 들지 않지만 가장 느리다.

연관 사상

Associative Mapping

페이지 사상표 전체를 연관 메모리(내용으로 찾는 고속 기억장치)에 둔다.
페이지 번호를 주면 모든 항목을 동시에 비교해 바로 프레임 번호를 찾으므로 가장 빠르다.
연관 메모리가 매우 비싸서 사상표 전체를 담는 일은 현실적이지 않다.

연관/직접 사상

Associative/Direct Mapping; 직접/연관 사상, 혼합 사상

최근에 쓴 페이지의 항목만 연관 메모리에 두고, 전체 사상표는 주기억장치에 둔다. 오늘날의 변환 색인 버퍼(TLB)가 이 방식이다.
먼저 연관 메모리에서 찾고(적중하면 연관 사상만큼 빠르다), 없으면 주기억장치의 사상표에서 찾은 뒤 그 항목을 연관 메모리에 넣는다.
참조 지역성 덕분에 적은 연관 메모리로도 적중률이 높아, 속도와 비용의 균형이 가장 좋다.

속도 비교

방식	사상표를 두는 곳	변환 속도	비용
연관 사상	전부 연관 메모리	가장 빠름	가장 비쌈
연관/직접 사상	일부 연관 메모리 + 전체 주기억장치	중간(적중하면 연관 사상과 같음)	중간
직접 사상	전부 주기억장치	가장 느림	가장 쌈

따라서 DAT 속도가 빠른 순서는 연관 사상 → 연관/직접 사상 → 직접 사상이다.

캐시 사상과 헷갈리지 않기

캐시 메모리에도 직접 사상·연관 사상·집합 연관(직접/연관) 사상이라는 같은 이름의 기법이 있다. 그쪽은 주기억장치 블록을 캐시의 어느 줄에 둘지를 정하는 방법이고, 여기의 사상은 가상 주소를 실제 주소로 바꾸는 대응표를 어디에 두느냐의 문제다. 이름은 같지만 다루는 대상이 다르다. 둘 다 빠른 탐색에 연관 메모리를 쓴다는 점은 같다.

참고 문헌

「Operating Systems」, Harvey M. Deitel, Addison-Wesley, 1990.

같이 보기