[Computer Architecture] - Virtual Memory

 

📕Virtual memory

•  Main memory를 보조 기억장치에 cache로 사용하는 기술이다.
• Programs는 main memory를 공유한다.
  • 프로그램들은 자주 사용되는 코드와 데이터를 저장하는 개인 가상 메모리 주소 공간을 얻습니다.
  • 가상 주소 공간은 프로그램의 주소 공간을 물리적 주소로 변환하여 다른 프로그램으로부터 보호됩니다.
• Page
  • 가상 메모리 블록
  • page fault : 가상 메모리 miss를 의미한다.
    • 메모리에는 없고, virtual address에만 있는 경우
• Processor는 가상 주소를 생산한다.
  • 가상 주소는 CPU와 OS에 의해 물리적 주소로 변환됩니다.
• 위의 과정을 address mapping 또는 address translation이라고 부릅니다.

📕Virtual Address

• 가상 주소는 relocation을 통해서 실행을 위한 프로그램 loading을 간편하게 해 준다.
  • relocation는 주소가 메모리에 액세스 하는 데 사용되기 전에 프로그램에서 사용하는 가상 주소를 다른 물리적 주소로 매핑합니다.
  • 이러한 relocation은 우리가 main memory에 있는 프로그램을 load 할 수 있게 한다.
• 가상 memory에서 주소는 virtual page number와 page offset으로 나뉜다.
  • Virtual address : Virtual page number + Page offset
  • Physical address : Physical page number + Page offset
  • 가상 주소를 물리 주소로 바꾼 다는 것은 Virtual page number -> Physical page number 변환하는 것.
  • page offset의 bit 수는 page size를 결정한다. 아래 사진은 12bit이기에 page size : 2^12인 4KB이다.

가상주소 -> 물리 주소 변환

 

 

📕Page table

• page table은 해당 physical page number를 검색하기 위해 virtual page number로 인덱싱 됩니다.
• page table은 페이지 변환을 해줌. virtual -> physical
• page table register은 메모리에 있는 page table에 위치를 나타내는 데 사용된다.

📗Page table Structure

• 32-bit virtual (4GB), 30bit physical (1GB) , and 4KB page Size
• page table에는 valid bit가 사용된다.
  • valid bit가 0인 경우 page는 memory에 존재하지 않다는 뜻이고 page fault를 발생
  • valid bit가 1인 경우 page는 memory에 존재하고, page table은 physical page number를 포함한다.

📗Page fault

• valid bit가 0인 경우 page fault가 발생한다.
  
  • 발생할 경우 physical memory가 아닌 가상 메모리에서 찾아야 한다.

📗Page Fault Penalty

• disk로의 page fault를 처리하는 데는 많은 clock cycle이 필요하다.
• page fault는 Os codes에 의해 다뤄진다.
• 따라서 우리는 page fault를 최소화할 필요성이 있습니다.
  
  • fully associative placement, large enough page size, smart replacement algorithms 등을 이용

📕Page Replacement

• Page fault가 일어났을 때, 모든 페이지가 사용 중이라면 [빈 페이지가 없다면] page를 교체해줘야 한다.
  • 그 교체 알고리즘은 여러 가지가 있지만 LRU알고리즘을 사용한다.
    • LRU : Least recently used  
    • 즉 가장 오랫동안 사용되지 않은 page를 선정해서 교체해주는 방식을 택한다.
  • 그러면 그 오랫동안 사용되지 않은 page는 어떠한 방식으로 찾는 걸까?
    • reference bit를 이용한다.
      • reference는 주기적 시간을 이용해서 그 시간 동안 page를 reference 했다면 1을, 하지 않았다면 0을 가진다.
      • OS에 의해 주기적으로 0으로 초기화된다.
      • 만약 reference bit가 0이라면 오래된 page라고 판단해서 교체된다.

📕Address Translation 

📗Page hit

• page가 memory에 있는 경우 page hit가 발생한다.

1. Processor는 Virtual Address를 MMU로 보낸다.
2. MMU는 Page Table entry Address를 memory로 보낸다.
3. MMU는 메모리에 있는 page table에 PTE를 받는다.
4. MME는 Physical Address를 memory로 보낸다.
5. memory는 processor로 data를 보낸다.

📗Page fault

• page가 memory에 없는 경우 발생

1. Processor는 virtual address를 mmu에 보낸다.
2. mmu는 PTE address를 memory에 보내고 memory에 있는 page table로부터 PTE를 받는다.
3. 만약 valid bit가 0이라면 page fault가 발생
   1. valid bit가 0이라는 뜻은 page가 memory에 존재하지 않다는 뜻
4. page fault가 발생했다면 handler routine이 실행된다.
5. handler는 희생될 페이지를 식별하고, 만약 그 페이지가 dirty bit를 확인
   1. 0이라면 내용을 저장할 필요가 없음
   2. 1이라면 내용을 디스크에 복사해둬야 함.
6. handler는 새로운 페이지를 디스크로부터 받고, cache에 작성한 뒤, PTE를 수정한다.
7. handler는 원래의 과정으로 돌아가고, 재시작한다.

 

📕TLB

• translation-lookaside buffer (TLB)
• 주소 변환을 빠르게 해주는 역할

• TLB miss and if page is memory
  • memory에 잇는 PTE를 load 해서 TLB에 전달.
• TLB miss and if page is not in memory
  • 디스크의 데이터를 물리적 메모리에 저장하고 page table이 이 주소를 가리키도록 한다.