[운영체제] 16. 세그먼테이션 기법

1. 세그먼테이션 기법

1) 세그먼테이션

• 가변 분할 방식을 이용한 가상 메모리 관리 기법으로, 물리 메모리를 프로세스 크기에 따라 가변적으로 나누어 사용함.

• 페이징 기법과 마찬가지로 세그먼테이션 기법도 테이블을 사용하는데, 이를 세그먼테이션 테이블 또는 세그먼테이션 매핑 테이블이라고 함.

 

2) 세그먼테이션 테이블 (Segmentation Table)

• Limit: 세그먼트의 크기를 나타냄.

• Address: 물리 메모리상의 시작 주소를 나타냄.

• 페이징 기법에서는 메모리를 같은 크기의 페이지 단위로 분할하기 때문에 크기 정보를 유지할 필요가 없지만, 세그먼테이션 기법에서는 프로세스 크기에 따라 • 메모리를 분할하기 때문에 크기 정보를 포함함.

• 각 세그먼트가 주어진 메모리 영역을 넘어가면 안 되므로, 크기를 뜻하는 size 대신 limit를 사용.

• 세그먼테이션 기법에서도 물리 메모리가 부족할 때 스왑 영역을 사용.

• 예시: 크기가 100B인 프로세스 D(세그먼트 3)가 스왑 영역에 있고, 세그먼테이션 테이블의 Address에 I(invalid)라고 표시됨.

 

3) 세그먼테이션 기법의 장단점

• 장점: 메모리를 프로세스 단위로 관리하기 때문에 세그먼테이션 테이블이 작고 단순함.

• 단점: 물리 메모리의 외부 단편화로 인해 관리가 복잡해짐.

 

 

2. 세그먼테이션 기법의 주소 변환

가상 주소(VA) = <S, D>로 표현

• S: 세그먼트 번호 (Segment Number)

• D: 세그먼트 시작 지점에서 해당 주소까지의 거리 (Distance)

• 가상 메모리 시스템에서 사용자에게 보이는 메모리는 항상 0부터 시작하므로, 페이징 기법이든 세그먼테이션 기법이든 D는 사용자가 지정한 주소 그 자체임.

 

예시: 프로세스 A의 32번 주소 접근 과정

(1) 가상 주소 VA = <0, 32>를 구함. (프로세스 A는 세그먼트 0이므로 S=0, D=32)

(2) 세그먼테이션 테이블에서 세그먼트 0의 시작 주소가 120임을 확인하고, 120 + 32를 계산하여 물리 주소 152를 구함.

• 이때 메모리 관리자는 거리가 세그먼트 크기를 초과하는지 점검함.

• 만약 초과하면 메모리 오류 발생 후 프로세스를 강제 종료.

• 초과하지 않으면 정상적으로 물리 주소를 구함.

(3) 물리 주소 152번에 접근하여 원하는 데이터를 읽거나 씀.

 

 

3. 캐시 매핑 기법

1) 캐시 직접 매핑 (Direct Mapping)

• 메모리를 일정 크기로 나누고, 이를 **페이지(P)**라고 부름.

• CPU가 메모리에 접근할 때 주소를 <P, D>로 표현

- P: 페이지 번호

- D: 페이지 내에서의 거리

 

• 메모리 블록과 캐시 매핑 과정

- 메모리는 N개의 페이지, 캐시는 M개의 페이지로 구성됨. (N > M)

- N을 M으로 나눈 값을 **블록(block)**이라 부름.

- 메모리의 페이지가 캐시로 올라올 때 항상 같은 위치에 저장됨.

 

• CPU가 메모리에 접근하는 방식

- 주소 <P, D>를 <tag, bd, D>로 변환하여 캐시에 접근.

- 태그(tag): 캐시에 저장된 블록 번호.

- bd(block distance): 블록 내 거리.

 

예시: 캐시 직접 매핑 과정

• CPU가 메모리 1101번지의 cobra 데이터를 필요로 하는 경우:

(1) 캐시의 01 위치(주소 뒷자리)로 이동.

(2) 태그 값이 11인지 확인 → 캐시 히트 발생.

 

• CPU가 메모리 0111번지의 crow 데이터를 필요로 하는 경우:

(1) 캐시의 11 위치로 이동.

(2) 태그 값이 01인지 확인 → 태그가 00이므로 캐시 미스 발생.

(3) 메모리에서 crow 데이터를 가져옴.

 

2) 캐시 연관 매핑 (Fully Associative Mapping)

• 메모리의 모든 주소를 캐시에서 자유롭게 배치 가능

• 장점: 캐시 메모리를 자유롭게 사용 가능

• 단점: 특정 주소가 캐시에 있는지 확인하기 위해 모든 캐시를 검색해야 하므로 속도가 느림

 

3) 캐시 집합-연관 매핑 (Set-Associative Mapping)

• 캐시 직접 매핑과 연관 매핑의 장점을 결합한 방식

• 캐시를 K개의 집합(Set)으로 나누고, 각 집합에서 직접 매핑을 사용

 

장점

• 직접 매핑을 사용하므로 모든 캐시를 검색할 필요 없음.

• 같은 끝자리를 가진 데이터들이 K개의 집합 중 하나로 배분되므로 자리다툼 문제 완화

 

예시

• 캐시를 K=2개의 집합으로 나누고, 각 집합에 2개의 페이지를 저장.

• 주소 P의 4비트 중 마지막 1비트는 bd, 앞의 3비트는 태그로 사용.

• 주소의 끝이 0인 페이지는 첫 번째 위치, 1인 페이지는 마지막 위치에 저장.

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이 내용은 휴넷사회복지평생교육원의 운영체제 강의를 듣고 정리한 것입니다.