메모리의 주소 공간.

주소에는 물리 주소와 논리 주소가 있다. 이번 절에서는 이 두 주소의 개념과 차이, 그리고 두 주소 간의 변환 방법을 학습한다.

1. 주소의 종류.

지금까지 ‘메모리에 저장된 정보의 위치는 주소로 나타낼 수 있다’ 정도로만 설명했지만, 사실 주소에는 두 종류가 있습니다.

• 1. 물리주소 : 메모리 하드웨어가 사용하는 주소.
• 2. 논리주소 : CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소.

2. 물리 주소와 논리 주소.

CPU와 실행 중인 프로그램은 현재 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 다 알고 있지 않습니다.

• 그 이유는 메모리에 저장된 정보는 시시각각 변하기 때문입니다.

메모리에는 새롭게 실행되는 프로그램이 시시때때로 적재되고, 실행이 끝난 프로그램은 삭제됩니다.
게다가, 같은 프로그램을 실행하더라도 실행할 때마다 적재되는 주소가 달라질 수 있습니다.

• 예를 들어, 1500번지에 적재되었던 프로그램을 다시 실행하면 3000번지, 또 다시 실행하면 2700번지에 적재될 수 있습니다.

그렇다면 CPU와 실행 중인 프로그램이 이해하는 주소는 무엇일까요?

주소에는 메모리가 사용하는 물리 주소가 있고, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 논리 주소가 있습니다.

• 물리 주소(Physical address) : 정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소를 의미.
• 논리 주소(logical address) : CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소, 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소를 의미함.

예를 들어 현재 메모리에 메모장, 게임, 인터넷 브라우저 프로그램이 적재되어 있다고 가정해 보겠습니다.
메모장, 게임, 인터넷 브라우저 프로그램은 현재 다른 프로그램들이 메모리 몇 번지에 저장되어 있는지,
다시 말해 다른 프로그램들의 물리 주소가 무엇인지 굳이 알 필요가 없습니다.

새로운 프로그램이 언제든 적재될 수 있고, 실행되지 않은 프로그램은 언제든 메모리에서 사라질 수 있기 때문입니다.

그래서 메모장, 게임, 인터넷 브라우저는 모두 물리 주소가 아닌 0번지부터 시작하는 자신만을 위한 주소인 논리 주소를 가지고 있습니다.

예를 들어, ‘10번지’라는 주소는 메모장에도, 게임에도, 인터넷 브라우저에도 논리 주소로써 존재할 수 있습니다.
프로그램마다 같은 논리 주소가 얼마든지 있을 수 있다는 뜻입니다.
그리고 CPU는 이 논리 주소를 받아들이고, 해석하고, 연산합니다.

정리하면, 메모리가 사용하는 주소는 하드웨어상의 실제 주소인 물리 주소이고, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소는 각각의 프로그램에 부여된 논리 주소입니다.

그런데 CPU가 이해하는 주소가 논리 주소라고는 해도 CPU가 메모리와 상호작용하려면 논리 주소와 물리 주소 간의 변환이 이루어져야 합니다.

논리 주소와 물리 주소 간에 어떠한 변환도 이루어지지 않는다면 CPU와 메모리는 서로 이해할 수 없는 주소 체계를 가지고 각자 다른 이야기만 할 뿐 결코 상호작용할 수 없을 테니까요.

그렇다면 논리 주소는 어떻게 물리 주소로 변환될까요?

논리 주소와 물리 주소 간의 변환은 CPU와 주소 버스 사이에 위치한 메모리 관리 장치(MMU: Memory Management Unit) 라는 하드웨어에 의해 수행됩니다.

MMU는 CPU가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환합니다.
예를 들어 현재 베이스 레지스터에 15000이 저장되어 있고 CPU가 발생시킨 논리 주소가 100번지라면 이 논리 주소는 아래 그림처럼 물리 주소 15100번지(100+15000)로 변환됩니다.
물리 주소 15000번지부터 적재된 프로그램 A의 논리 주소 100번지에는 이렇게 접근이 가능한 것 입니다.

베이스 레지스터는 프로그램의 가장 작은 물리 주소, 즉 프로그램의 첫 물리 주소를 저장하는 셈이고,
논리 주소는 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리인 셈입니다.

3. 메모리 보호 기법.

메모장 프로그램의 물리 주소가 1000번지부터 1999번지, 인터넷 브라우저 프로그램의 물리 주소가 2000번지부터 2999번지, 게임 프로그램의 물리 주소가 3000번지부터 3999번지라고 가정해 보겠습니다.

만약 메모장 프로그램 명령어 중 ‘(논리 주소) 1500번지에 숫자 100을 저장하라’와 같은 명령어가 있다면 숫자 100은 어떤 물리 주소에 저장될까요? 이 명령어는 실행되어도 안전할까요?

혹은 인터넷 브라우저 프로그램 명령어 중 ‘(논리 주소) 1100번지의 데이터를 삭제하라’와 같은 명령어가 있다면 어떤 물리 주소의 데이터가 삭제될까요? 이 명령어는 실행되어도 안전할까요?

위와 같은 명령어들은 실행되어서는 안 됩니다.
프로그램의 논리 주소 영역을 벗어났기 때문입니다.
위 명령어들이 실행된다면 메모장 프로그램 명령어는 애꿏은 인터넷 브라우저 프로그램에 숫자 10을 저장하고, 인터넷 브라우저 프로그램 명령어는 자신과는 전혀 관련 없는 게임 프로그램 정보를 삭제합니다.

이렇게 다른 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어는 위험하기 때문에 논리 주소 범위를 벗어나는 명령어 실행을 방지하고 실행 중인 프로그램이 다른 프로그램에 영향을 받지 않도록 보호할 방법이 핑요합니다.

이는 한계 레지스터(limit register) 라는 레지스터가 담당합니다.

베이스 레지스터가 실행 중인 프로그램의 가장 작은 물리 주소를 저장한다면, 한계 레지스터는 논리 주소의 최대 크기를 저장합니다.

즉, 프로그램의 물리 주소 범위는 베이스 레지스터 값 이상, 베이스 레지스터 값 + 한계 레지스터 값 미만이 됩니다.

CPU가 접근하려는 논리 주소는 한계 레지스터가 저장한 값보다 커서는 안 됩니다.
한계 레지스터보다 높은 주소 값에 접근하는 것은 곧 프로그램의 범위에 벗어난 메모리 공간에 접근하는 것과 같디 때문입니다.

베이스 레지스터에 100, 한계 레지스터에 150이 저장되어 있다고 해 봅시다.
이는 물리 주소 시작점이 100번지, 프로그램의 크기(논리 주소의 최대 크기)는 150임을 의미합니다.
따라서 이 프로그램은 150번지를 넘어서는 논리 주소를 가질 수 없습니다.

이번에는 베이스 레지스터에 1500, 한계 레지스터에 1000이 저장되어 있다고 해 봅시다.
이는 물리주소 시작점이 1500번지, 프로그램 크기는 1000임을 의미합니다.
따라서 이 프로그램은 1000번지를 넘어서는 논리 주소를 가질 수 없습니다.

CPU는 메모리에 접근하기 전에 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지를 항상 검사합니다.
만약 CPU가 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근하려고 하면 인터럽트(트랩)를 발생시켜 실행을 중단합니다.

이러한 방식으로 실행 중인 프로그램의 독립적인 실행 공간을 확보하고 하나의 프로그램이 다른 프로그램을 침범하지 못하게 보호할 수 있습니다.

5. 키워드로 정리하는 핵심 키워드

• 물리 주소는 메모리 하드웨어상의 주소이고, 논리 주소는 CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소입니다.
• MMU는 논리 주소를 물리 주소로 변환합니다.
• 베이스 레지스터는 프로그램의 첫 물리 주소를 저장합니다.
• 한계 레지스터는 실행 중인 프로그램의 논리 주소의 최대 크기를 저장합니다.

컴퓨터 시스템에서 “물리 주소(Physical Address)”와 “논리 주소(Logical Address)”는 메모리 관리의 중요한 개념입니다.
각각은 다음과 같은 의미를 가지며, 시스템의 효율적인 메모리 관리를 위해 사용됩니다.

1.1 논리 주소(Logical Address)

• 정의 : 논리 주소는 프로그램이 사용하는 주소입니다.
  • 이 주소는 프로그램이 실행되면서 생성되는 주소로, 사용자 또는 프로그램이 접근할 수 있는 주소입니다.
  • 이 주소는 가상 메모리 주소라고도 하며, 실제 메모리의 물리적 위치와는 독립적입니다.
• 목적 : 논리 주소의 주요 목적은 각 프로세스가 독립된 주소 공간을 갖게 하여, 프로세스간의 메모리 충돌을 방지하고 보안을 강화하는 데 있습니다.
  • 또한, 프로그래밍을 단순화시키고 메모리 관리를 더 유연하게 만듭니다.

1.2 물리 주소(Physical Address)

• 정의 : 물리 주소는 메모리 장치 내의 실제 위치를 가리키는 주소입니다.
  • 이 주소는 시스템의 메모리 관리 유닛(Memory Management Unit, MMU)에 의해 사용되며, 실제 RAM에서 데이터를 찾는 데 사용됩니다.
• 목적 : 물리 주소는 시스템의 메모리를 효율적으로 할당하고 관리하는 데 필요합니다.
  • 이를 통해 시스템은 실제 메모리 공간을 최적화하고, 필요한 데이터와 프로그램을 정확한 위치에서 처리할 수 있습니다.

1.3 주소 변환(Address Translation)

논리 주소에서 물리 주소로의 변환은 주로 메모리 관리 유닛(MMU)에 의해 수행됩니다.
이 과정은 다음과 같은 방법으로 이루어 집니다.

• 1. 페이지 테이블 : 운영체제는 페이지 테이블을 사용하여 논리 주소를 물리 주소로 매핑합니다.
  • 페이지 테이블을 논리 주소를 페이지로 나누고, 각 페이지가 실제 메모리의 어느 부분에 해당하는지를 나타내는 테이블입니다.

• 2. 변환 조회 버퍼(TLB) : 변환 조회 버퍼는 자주 사용되는 주소 매핑을 캐시하는 작은 메모리로, 주소 변환 과정을 빠르게 만듭니다.

• 3. 주소 변환 과정
  • 프로세스가 논리 주소를 생성합니다.
  • MMU는 논리 주소의 페이지 번호를 확인하고, 해당 페이지 번호가 페이지 테이블에 있는지 확인합니다.
  • 페이지 테이블에서 해당 페이지의 물리 주소를 찾아 매핑합니다.
  • 물리 주소를 사용하여 실제 메모리에서 데이터를 엑세스합니다.

📝 정리

이러한 주소 변환 메커니즘은 메모리 보호, 프로세스 격리, 메모리 사용의 효율성 증가 등을 가능하게 하며, 복잡한 현대의 멀티태스킹 환경에서 중요한 역할을 합니다.

Q1. 물리 주소(Physical Address)’와 ‘논리 주소(Logical Address)’에 대해 설명해 주시겠습니까? 이 두 주소의 개념과 차이점을 구체적으로 말씀해 주시고, 어떻게 논리 주소가 물리 주소로 변환되는지 그 과정에 대해서도 설명해 주세요.

• 논리 주소는 프로그램이 사용하는 주소로, 프로그램 코드에 의해 참조되는 주소입니다. 이는 운영체제에 의해 관리되며, 프로그램이 메모리에 로드되는 위치와 무관하게 일관성을 유지합니다. 즉, 프로그램이 메모리의 어느 위치에 로드되든지 간에 같은 논리 주소를 사용할 수 있습니다. 논리 주소는 가상 메모리 주소라고도 하며, 이를 통해 개발자는 실제 메모리 구조를 신경 쓰지 않고 프로그래밍할 수 있습니다.

• 물리 주소는 메모리 장치 내의 실제 물리적 위치를 가리킵니다. 즉, 물리 주소는 RAM 내의 실제 데이터나 명령어가 저장된 위치를 나타내며, 메모리 관리 유닛(MMU)에 의해 논리 주소로부터 변환됩니다.

• 논리 주소에서 물리 주소로의 변환은 주로 메모리 관리 유닛(MMU)을 통해 이루어집니다. 이 과정은 다음과 같습니다:

  • 1. 프로세스가 생성하는 논리 주소는 페이지 번호와 오프셋으로 구성됩니다.
  • 1. 페이지 번호는 페이지 테이블을 참조하여 해당 페이지가 메모리의 어느 물리적 위치에 있는지 결정합니다. 이 페이지 테이블은 운영 체제에 의해 관리되며, 각 페이지의 물리 주소를 저장합니다.
  • 1. 물리 주소는 결정된 페이지 시작 주소에 오프셋을 추가하여 최종적으로 결정됩니다.
  • 1. 변환 조회 버퍼(TLB)는 이러한 변환 과정을 가속화하기 위해 자주 사용되는 주소 변환을 캐시합니다.
       • 이러한 변환 과정을 통해 시스템은 효율적으로 메모리를 관리하며, 프로세스 간 메모리 격리와 보안을 유지할 수 있습니다.