Meomory_Management-Segmentation.md

메모리 전략

Segmentation

Segmentation Architecture

Segmentation with Paging

Segmentation

프로그램은 의미 단위인 여러 개의 segment로 구성

• 작게는 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 세그먼트로 정의
• 크게는 프로그램 전체를 하나의 세그먼트로 정의
• 일반적으로는 code, data,stack 부분이 하나씩의 세그먼트로 정의됨

Segment는 논리적인 하나하나의 단위이다.

• main()
• function
• global variables
• stack
• symbol table, arrays

돼지를 도축할 때, 페이징은 돼지를 같은 크기로 잘라서 보관하는 것이라면, 세그멘테이션은 부위별로 잘라서 보관하는 것이다

세그멘테이션(Segmentation)

• 프로세스를 물리적 단위인 페이지가 아닌 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 메모리에 적재하는 방식

Segementation의 사상

• Logical address는 두가지로 구성
  • <Segement-number,offset>
• Segment table
  • base: starting physical address of the segment
  • limit: length of the segment
• Segment-table base register(STBR)
  • 물리적 메모리에서의 segment table의 위치
• Segment-table length register(STLR)
  • 프로그램이 사용하는 segment의 수

• 가상주소는 세그먼트 번호(s)와 세그먼트 내의 위치 값(d)으로 표현되고, 세그먼트 테이블의 시작주소에 s를 더해 해당 엔트리를 찾는 과정은 페이징과 다를것이 없다.
• 세그먼트 테이블에서 한 엔트리가 가지는 정보는 존재 비트, 존재 비트의 값에 따라 유효한 디스크 주소와 메모리 주소를 갖는 필드들이 있다.
  • 여기서 페이징과 다른 점은 (페이징 때의 프레임 번호와 같이 실주소를 위해 계산을 요구하는 형태가 아닌)실주소라는 점이다.
  • 엔트리에 해당 세그먼트가 적재된 메모리의 시작주소가 적혀있다.
  • 존재 비트가 0인 경우(segment fault) swap device로 부터 해당 segment를 메모리로 적재 segment map table 갱신
• 다음으로 **세그먼트의 길이(Length)**가 적혀 있는 필드가 있는데 이것은 세그먼트의 크기가 서로 다름으로 인해 필요한 조치를 위해 사용된다. - d가 segment 길이보다 큰 경우 (d>length)에는 segment overflow exception 처리 모듈 호출
• 세그먼트의 실행을 제어할 때 사용하는 몇 개의 비트들을 구현에 따라 설정 할 수 있다.
  • 즉 읽기, 쓰기, 실행, 추가와 같은 작업을 각 비트를 1 또는 0으로 지정하고 그 조합으로 해당 세그먼트에 대해 정교하게 제어할 수 있는데 이런 비트들을 접근 제어 키(Access Control Key)라 부른다.
  • 허가되지 않은 연산일 경우(protection bit 검사) segment protection exception 처리 모듈을 호출

세그먼트의 보호(Protection)와 공유(Sharing)

segement는 의미 단위이기 때문에 공유(sharing)와 보안(protection)에 있어 paging보다 훨씬 효과적이다.

• Protection
  • 각 세그먼트 별로 protection bit가 있음
  • (예시) 사상에서 실주소를 위해 더해지는 위치 값(d)이 세그먼트의 길이 값을 초과하면, 트랩을 통해 프로세스의 실행을 중지시켜 사용자 간의 메모리 보호가 가능하다.
  • 접근 제어 키를 사용하여 세그먼트 별로 허용되는 작업을 제어하여, 사용자의 잘못된 접근으로부터 보호될 수 있다.

• Sharing
  • shared segment
  • same segment number
    • 공유하는 방법은 엔트리에서 같은 주소 값을 가지도록하면 된다.
  • segment는 논리적으로 나눠져있기 때문에 해당 논리안의 branch의 경우 내부적으로 얼마 만큼 이동해야하는지 알려준다. 이동은 segment 내부에서 이뤄지기 때문에 서로 다른 프로세스라도 문제가 되지 않는다.

세그먼트의 할당(allocation)

• Allocation
  • first fit/ best fit
  • external fragmentation 발생
  • segmentation의 길이가 동일하지 않으므로 가변분할 방식에서와 동일한 문제점들이 발생

세그먼테이션 장단점

장점

• 보호와 공유 면에서 효과적
  • 두 user process가 동일한 코드(text segment)를 공유하기 용이
  • 각 memory section들에게 각기 다른 read/write 권한 설정할 수 있음

단점

• 세그먼트는 가변적이라 동적 메모리 할당을 해야함 -> 외부 단편화발생할 수 있다.
• 평균 세그먼트 크기가 작을수록 외부 단편화 작음

Segmentation with Paging

페이징의 편리함과 세그먼테이션의 논리적 장점을 함께 가지기 위한 기법이다.

• 프로그램을 먼저 세그먼트로 나눈 후, 각 세그먼트는 다시 페이지들로 나뉜다.
  • 즉 각각의 세그먼트는 여러 개의 페이지들로 이루어질 것이고, 사상의 최종 단위는 페이지이므로 (페이징을 할 때와 같이) 메모리는 페이지와 같은 크기의 프레임들로 구성되어 있다.
  • 사상을 위해 세그먼트 테이블이 하나 필요하고, 세그먼트 테이블의 엔트리 개수만큼 페이지 테이블이 필요해진다.
• 가상주소는 세그먼트 번호(s), 페이지 번호(p), 그리고 페이지 내의 위치 값(d)으로 표현되는데, 세그먼트 테이블의 각 엔트리는 나누어진 자신의 페이지들을 위한 페이지 테이블의 시작주소를 가지고 있다.
• 가상주소 <s,p,d>가 참조되면, 세그먼트 테이블의 시작주소를 가지는 기준레지스터 값에 s를 더해 세그먼트 s를 위한 엔트리를 검색한 후 s를 위한 페이지 테이블의 시작주소를 알게 된다.
  • 이때 엔트리에 표시된 접근 제어 키의 위반 여부에 따라 실행이 중지될 수도 있으며, 적재는 페이지 단위이므로 존재 비트를 둘 필요는 없다.
• 페이지 테이블의 시작주소를 얻은 후 가상주소의 p를 더해 p를 위한 엔트리를 검색하면(존재 비트가 0일 경우 먼저 적재 과정을 거쳐야 한다.) p가 적재된 프레임 번호를 알 수 있다. 그 다음은 (프레임 번호에 페이지 크기를 곱한 후 가상 주소의 위치 값 d를 더해서 얻게 되는) 실주소를 접근하면 된다.

이 기법은 사상을 위한 테이블의 전체 크기가 커지고 실주소로의 접근까지 메모리 접근이 더 요구되는 단점은 있으나, 잘 구현 했을 때의 장점 때문에 OS/2 운영체제 등에서 사용되고 있다.

pure segmentation과의 차이점

• segment-table entry가 segment의 base address를 가지고 있는 것이 아니라 segment를 구성하는 page table의 base address를 가지고 있음

페이징(Paging)과 세그멘테이션(Segmentation)

단순 페이지

• 각 프로세스는 프레임들과 같은 길이를 가진 균등 페이지로 나뉨
• 외부 단편화가 생기지 않음
• 소량의 내부 단편화 존재

단순 세그멘테이션

• 각 프로세스는 여러 세그멘트들로 나뉨
• 내부 단편화가 생기지 않음
• 메모리 효율 개선
• 동적 분할을 통한 오버헤드 감소
• 외부 단편화 존재

가상 메모리 페이징

• 단순 페이징과 비교해 프로세스 페이지 전부를 로드 시킬 필요가 없음
• 필요한 페이지가 있으면 나중에 자동으로 불러들임
• 외부 단편화가 생기지 않음
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드가 발생

가상 메모리 세그멘테이션

• 필요하지 않은 세그먼트들은 로드되지 않음
• 필요한 세그먼트가 있을 때 나중에 자동으로 불러들임
• 내부 단편화가 생기지 않음
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드 발생

페이징과 세그멘테이션의 차이는 무엇인가?

페이징과 세그멘테이션 모두 프로그램을 실행하기 위해 디스크에 있는 내용을 분할하여 메모리에 적재하는 불연속 메모리 관리 기법입니다.

둘의 차이는 프로그램을 어떻게 분할할 것인가입니다. 페이징의 경우 프로그램을 같은 크기의 페이지로 분할하는 데에 비해, 세그멘테이션은 논리적 의미를 기준으로 세그먼트를 분할합니다.

참고

반효경 교수님 운영체제 강의

[OS?Oh Yes!책]

페이징(Paging)과 세그멘테이션(Segmentation)

메모리 관리

면접 예상 질문

세그멘테이션이란?

세그멘테이션의 장단점은?

페이징과 세그멘테이션의 차이는 무엇인가?

세그멘테이션과 페이징을 사용하는 세그멘테이션의 차이점에는 무엇이 있을까?