15. Address Translation

 

Memory Virtualization with Efficiency and Control

• CPU virtualization을 실행할 때 hardware의 도움을 받아서 한 프로세스가 일정시간동안 수행하고, 다른 프로세서가 또 일정시간동안 수행하게 하는 limited direct execution(LDE) 라는 환경을 만듬
• 이렇게 하면서 CPU 가상화의 efficiency와 control을 높일 수 있었음
• memry virtualization도 비슷하게, hardware의 도움(reg, TLB, page-table)을 이용하여, 한 프로세스가 다른 프로세스의 address space를 침범하지 못하도록 함.

 

 

Address Translation

• hardware가 virtual address를 physical address로 바꿔줌 (sw가 하면 느리다)
• OS는 hardware가 변환할 때 필요한 정보를 제공해 줌(physical 주소 같은..)

 

 

Example : Address Translation

void func()
    int x = 3;
    x = x + 3;

• x는 address space의 stack에 저장되어 있음
• x = x + 3를 만나면 이 명령이 세개의 assmbly code로 변환이 됨.

• load : address space에 있는 x 값을 cpu의 register로 load 함
• increment : cpu의 ALU를 이용하여 계산
• store : 계산한 값을 다시 memory로 보냄 

# Assembly
//intel
128 : movl 0x0(%ebx), %eax  // load 0+ebs into eax 
132 : addl $0x03, %eax      // add 3 to eax register 
135 : movl %eax, 0x0(%ebx)  // store eax back to mem

//ARM
ldr r0 [r1]  // r0 reg에 r1 reg가 담고 있는 값 load
add r0, r0, #3  // r0 reg에 +3 연산
str r0 [r1]   // r0 reg가 담고 있는 값을 r1 reg에 store

• 결과적으로 pc에 insturction을 fetch하고, 이걸 decode하고, execute하는데에 총 메모리 5번 접근
• 1. 첫번째 inst fetch
• 2. load 명령 수행
• 3. 두번째 inst fetch
• x - ALU는 memory 접근 x
• 4. 세번째 inst fetch
• 5. store 명령 수행 

 

 

Relocation Address Space

• OS는 process를 physical memory에 어떤 부분에 위치시키는데, 0번지는 사용하지 않음

 

 

A single Relocated Process & base, bound register

• base register : physical memory의 실제 시작 주소를 담는 register
• bound register : address space의 크기를 담는 register(phsical mem의 끝 주소를 담기도 함)

 

 

Dynamic(Hardware base) Relocation

• program이 시작되면, OS는 이 process를 physical의 어디에 위치시킬지 결정해야함
• set the base register a value

physical address = virtual address + base

• 모든 virtual address는 0보다 크거나 같고 bound보다 작아야함

0 ≤ virtual address < bounds

 

 

 

Relocation and Address Translation

• virtual의 128번지 inst를 fetch 한다고 해보자

physical => 128 + 32KB(base) = 128 + 32 * 2^10 = 128 + 32768 = 32896

 

• 이후 load 명령 execute (15KB)

physical => 15KB + 32KB = 47KB

 

 

 

Two ways of Bounds Register

1. the size of address space
2. phsical address of the end of address space

=> 그니까 base가 32면, addr space 크기인 16일지, 32+16 = 48 해서 48일지 잘 체크하기

 

 

 

OS Issues for Memory Virtualization

• OS는 3가지 critical moment에서 적절한 action을 취해야 한다.

1. process가 실행을 시작 할 때, 빈공간을 찾아줘야 함(relocaton을 하는 것)
2. process가 끝날 때, memory에서 reclaiming 해줘야 함
3. context switch 할 때 base-and-bound를 saving & restoring 해줘야 함

=> base,bound는 cpu내 한 쌍밖에 없으므로, context switching 시 각 프로세스의 PCB에 base-and-bound를 저장함 

=> memory에 관련된 register의 내용을 바꿔주는 것이 process의 address space를 바꾸는 방법이다.

 

 

OS Issues: When a Process Starts Running

• OS가 free list를 보고, 하나를 픽 해서 relocation
• free list는 현재 physical memory에서 사용되지 않고 있는 공간의 list

 

OS Issues: When a Process Is Terminated

• OS가 사용하지 않는, free된 공간을 free list에 다시 집어 넣어 줘야함

 

OS Issues: When Context Switch Occurs

• OS는 base-bound pair를 save, restore 해줘야 한다.. => PCB 이용