06-Virtual Memory

Memory virtualization

OS가 physical memory를 virtualize
OS가 각 process에게 illusion memory space 제공 ⇒ CPU 가상화는 각 process가 자기만의 illusion CPU가 있는 것처럼
각 process가 자기가 memory 전체를 다 쓰는 것처럼 보이게함

Goal

Transparency
- process는 memory가 shared된다는 것을 몰라야 함
- programming에 편의적인 abstraction을 제공
Efficiency
- space : minimize fragmentation due to variable-sized requests
- time : get some hardware support
Protection
- protect process and OS from another processes
- Isolation : process가 다른 process들에 영향주지않고 지혼자 fail함
- cooperating processes가 memory의 일부분을 공유함

이로 인해 protection issue가 중요해졌음 ⇒ errant memory accesses from other processes

Address space

OS가 physical memory에 대한 abstraction을 생성함
- address space는 running process에 대한 모든 정보를 보관
- program code, heap, stack and etc 로 구성됨

address space가 16KB == $2^{14}$byte ⇒ byte마다 번호를 매기기 위해서는 14개의 bit가 필요함 ⇒ 14bit address space

Code : instruction이 머무는 곳
Heap : dynamically allocate memory(malloc, new)
Stack : store return addresses or values, local variables, arguments

Virtual address

process에 있는 모든 address는 virtual ⇒ OS가 virtual address를 physical address를 변환해줌

Memory virtualizing with efficiency and control

memory virtualizing은 Limited direct execution과 같은 전략을 취함
memory virtualizing은 hardware support를 통해 efficiency와 control ⇒ ex : registers, TLB, page-tabe

Address translation

hardware가 virtual address를 physical address로 변환함
OS가 주소변환에 필요한 정보를 hardware에 제공해줌
Assumption(가정)
1. user의 address space가 physical memory에 contiguously하게 있다
2. address space의 크기가 physical memory size보다 작다
3. 각 address space는 모두 같은 크기를 가짐

Address transliation 예제

x = x + 3이 아래의 세 assembly code로 변환됨

fetch instruction at address 128
execute this instruction ⇒ load from address 15KB
fetch instruction at address 132
execute this instruction ⇒ no memory reference
fetch instruction at address 135
execute this instruction ⇒ save to address 15KB

Relocation address space

OS는 process가 physical memory의 0 위치에 못올라오게 하는걸 원함 ⇒ (virtual) address space 는 address 0에서 시작함 ⇒ address space의 주소가 physical address로 변환될때 relocation 해야함

A single relocated process

Static relocation

Software-based relocation ⇒ OS가 program이 memory에 loading되기 전에 rewrites함 ⇒ static data와 functions의 address를 바꿈

Pros

hardware support가 필요없다

Cons

no protection enforced ⇒ process가 OS나 다른 process의 process를 침범할 수 있다. ⇒ no privacy : 아무 memory address나 읽을 수 있음
Cannot move address space after it has been placed ⇒ external fragmentation으로 new process를 allocate하기 힘들다

Dynamic relocation

Hardware-based relocation

MMU(memory management unit)가 모든 memory reference instructions에서 address translation을 수행함
Hardware에 의해 protection이 enforced됨 ⇒ virtual address가 invalid하면 MMU가 raise exception
OS가 현재 process의 valid address space에 대한 정보를 MMU에 전달

Base & Bounds register

Dynamic(hardware-based) relocation

program이 시작될 때, OS가 process를 physical memory의 어디에 load시킬지 결정함
- base register 값 결정
- 모든 virtual address는 bound register보다 크거나 음수아면 안됨

Relocation and Address translation (by MMU)

address 128의 instruction은 아래와 같이 변환됨 ⇒ 128 + 32KB(base-register) = 1024 * 32 + 128

execute this instruction ⇒ address 15KB에서 값을 불러와야함 ⇒ 15KB + 32 KB = 47KB

Two ways of bound registers

address space의 size를 bound reigster로 사용
physical memory에서 address space가 끝나는 지점을 bound

OS issues for memory virtualizing

OS가 base-bounds register approach를 위해서 뭔가 action을 취해야함
Three ciritical junctures(고비) :
- when a process starting : finding space for address spcae in physical memory
- when a process is terminated : reclaming the memory for use
- when context switch occurs : saving & restroing base-bound pair

OS issues : When a process starting

OS가 새로운 address space를 위해서 room을 찾아줘야함 ⇒ free list : 사용중이지 않은 physical memory의 범위 list

OS issues : When a process is terminated

OS는 memory를 다시 free list로 넣어줘야함

OS issues : When context switch occurs

OS가 base-and-bound pair를 save & restore 해줘야함 ⇒ process structure 또는 process control block (PCB) 안에 save&restore