페이징에 대해서 설명해주세요.

페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 크기로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법이다.

페이징을 사용하면 시스템에서는 프로세스 전체가 스왑인/아웃 되는 것이 아닌 페이지 단위로 스왑인/아웃된다. 즉, 메모리에 적재될 필요가 없는 페이지들은 보조기억장치로 스왑 아웃되고, 실행에 필요한 페이지들은 메모리로 스왑인 되는 것이다. 페이징 시스템에서 스왑 인은 페이지 인, 스왑 아웃은 페이지 아웃이라고 부르기도 한다.

프로세스를 실행하기 위해 프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요는 없다. 프로세스를 이루는 페이지 중 실행에 필요한 일부 페이지만을 메모리에 적재하고, 당장 실행에 필요하지 않은 페이지들은 보조 기억장치에 남겨둘 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 물리 메모리보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있다.

페이징 테이블

프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되어 있다면 CPU 입장에서는 이를 순차적으로 실행할 수가 없다. 프로세스를 이루는 페이지가 어느 프레임에 적재되어 있는지 CPU가 모두 알고 있기 어렵기 때문이다. 즉, 프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되면 CPU 입장에서 다음에 실행할 명령어를 찾기가 어려워진다.

이를 해결하기 위해 페이징 시스템은 프로세스가 비록 물리 주소에 불연속적으로 배치되더라도 논리 주소에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용한다.

페이지 테이블은 페이지 번호와 프레임 번호를 짝지어 주는 일종의 이정표이다. CPU로 하여금 페이지 번호만 보고 해당 페이지가 적재된 프레임을 찾을 수 있게 한다. 다시 말해 페이지 테이블은 어떤 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지를 알려준다.

프소세스들이 분산되어 저장되어 있더라도 CPU 입장에서 바라본 논리 주소는 연속적으로 보일 수 있다. 즉 프로세스들이 메모리에 분산되어 저장되어 있더라도 CPU는 논리 주소를 그저 순차적으로 실행하면 된다.

프로세스마다 각자의 프로세스 테이블을 가지고 있고 각 프로세스의 페이지 테이블들은 메모리에 적재된다. 그리고 CPU 내의 페이지 테이블 베이스 레지스터(PTBR; Page Table Base Register)는 각 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리키고 있다.

각 프로세스의 페이지 테이블 정보들은 각 프로세스의 PCB에 기록된다. 그리고 프로세스의 문맥 교환이 일어날 때 다른 레지스터와 마찬가지로 함께 변경된다.

페이지 교체(Page Replacement)

원하는 페이지가 물리 메모리에 존재하지 않으면 어쩔 수 없이 어떤 페이지는 내려놔야 한다. 원하는 페이지가 물리 메모리에 없으면 페이지 폴트(Page fault)가 일어났다고 하고, 물리 메모리에서 내려갈 페이지를 Victim이라고 한다. Victim을 선택하는 알고리즘은 여러가지가 있다.

Reference

• 쉽게 배우는 운영체제
• 혼자 공부하는 운영체제