OSTEP 15 Address Translation

CPU 가상화 부분에서 제한적 직접 실행 (LDE) 기법에 대해 배웠다. OSTEP 06 Direct Execution 메모리 가상화에서도 비슷한 전략을 추구한다. 가상화를 제공하는 동시에 효율성과 제어 모두를 추구한다.

효율성을 높이기 위해 하드웨어 자원을 활용한다. 몇 개의 레지스터 활용부터 TLB, 페이지 테이블 등 점점 복잡한 하드웨어를 사용한다. 제어는 프로그램이 자기 자신의 메모리 이외에는 접근하지 못하도록 운영체제가 보장한다는 것. 유연성 측면에서, 프로그래머가 원하는 대로 주소 공간을 사용하고, 프로그래밍하기 쉬운 시스템을 만들기 원헌다.

핵심 질문: 어떻게 효율적이고 유연하게 메모리를 가상화 할 수 있을까?

우리가 다룰 기법은 (하드웨어 기반) 주소 변환이다. 이 기술은 제한적 직접 실행 방식에 부가적으로 사용되는 기능이라고 생각할 수 있다. 주소 변환을 통해 하드웨어는 명령어 반입, 탑재, 저장 등의 가상 주소를 정보가 실제 존재하는 물리 주소로 변환한다.

하드웨어가 변환을 가속화하는데 도움을 주지만 그것만으로는 모자라다. 정확한 변환이 일어날 수 있도록 운영체제가 관여해야 한다.

운영체제는 메모리의 빈 공간과 사용중인 공간을 항상 알고 있어야 하고, 메모리 사용을 제어하고 관리한다.

이 모든 작업의 목표는 바로 프로그램이 자신의 전용 메모리를 소유하고 있고, 그 안에 자신의 코드와 데이터가 있다는 환상을 만드는 것이다.

1. 가정

1. 주소 공간은 물리 메모리에 연속적으로 배치되어야 한다.
2. 주소 공간은 물리 메모리 크기보다 작다.
3. 각 주소 공간의 크기는 같다.

2. 사례

void func() {
	int x = 3000;
	x = x + 3; // 우리가 관심있는 코드
}

128: movl 0x0(\%ebx), \%eax;	# 0+ebx를 eax에 저장 
132: addl \$0x03, \%eax;		# eax레지스터에 3을 더한다   
135: movl \%eax, 0x0(\%ebx);	# eax를 메모리에 다시 저장

x의 주소가 레지스터 ebx에 저장되어 있다고 가정하고, 이 주소에 저장되어 있는 값을 범용 레지스터 eax에 넣는다. 다음 명령은 eax에 3을 더하고, 마지막 명령은 eax의 값을 같은 위치의 메모리에 저장한다.

프로그램 코드는 주소 128에 위치하고 변수 x의 값은 주소 15KB (아래 쪽 스택)에 위치한다. 이 프로그램이 실행되면 다음과 같은 메모리 접근이 일어난다.

• 주소 128의 명령어를 반입
• 이 명령어 실행 (주소 15 KB에서 탑재)
• 주소 132의 명령어를 반입
• 이 명령어 실행 (메모리 참조 없음)
• 주소 135의 명령어를 반입
• 이 명령어 실행 (15 KB에 저장)

이렇게 프로세스 관점에서 메모리 주소가 0부터 시작하도록 가상 환경을 제공해야 한다.

실제로는 0부터 시작하지 않더라도 프로그램이 0부터 시작하는 것 처럼 작동해야 한다.

3. 동적 (하드웨어-기반) 재배치

Base And Bound (dynamic relocation)

각 CPU마다 2개의 하드웨어 레지스터가 필요하다. 하나는 베이스 레지스터로, 프로세스의 주소 공간이 시작하는 물리 메모리 주소를 저장한다. 다른 하나는 바운드 레지스터로, 프로세스의 주소 공간 크기를 저장한다.

physical address = virtual address + base

128: movl 0x0(%EBX) , % eax

하드웨어가 이 명령어를 반입할 때, PC값(128)을 베이스 레지스터의 값(32KB = 32768)에 더해서 물리 주소(32896)를 얻는다.

이 주소의 재배치는 실행 시에 일어나고, 실행 후에도 주소 공간을 이동할 수 있기 때문에 동적 재배치 (dynamic relocation) 라고도 불린다.

바운드 레지스터는 보호를 지원하기 위해 존재한다. 가상 주소가 바운드 안에 있는지 확인하는 용도. 바운드보다 큰 가상 주소를 참조하면 CPU는 예외를 발생시키고 프로세스가 종료된다. 바운드 레지스터 구현 방법은 두 가지가 있다.

1. 주소 공간의 크기 저장
2. 주소 공간의 마지막 물리 주소를 저장

이렇게 주소 변환에 도움을 주는 프로세서의 일부를 메모리 관리 장치 (MMU) 라고 부른다.

예제

주소 공간의 크기가 4KB(4096)인 프로세스가 물리 주소 16KB(16384)에 탑재되어 있다고 가정하자.

가상 주소가 너무 크면(바운드를 벗어나면) 오류가 발생한다.

4. 하드웨어 지원 요약

5. 운영체제 이슈

베이스와 바운드 방식의 가상 메모리 구현을 위해 운영체제가 반드시 개입되어야 하는 시점이 4개 존재한다.

1. 프로세스가 생성될 때 운영체제는 주소 공간이 저장될 메모리 공간을 찾아 조치를 취해야 한다.
2. 프로세스가 종료할 때(정상적 종료 및 잘못된 행동으로 인한 강제 종료) 사용하던 메모리를 회수하여 다른 프로세스나 운영체제가 사용할 수 있게 해야 한다.
3. 운영체제는 문맥 교환이 일어날 때, 베이스와 바운드 쌍을 저장하고 복원해야 한다. -> PCB에 있음
4. 예외가 발생할 때 호출될 함수를 제공해야 한다. -> 부팅할 때 설치