페이징과 세그먼테이션 (Paging and Segmentation)

페이징(Paging)과 세그먼테이션(Segmentation)은 프로세스의 논리 주소 공간을 물리 메모리에 비연속적으로 배치하기 위한 두 가지 메모리 관리 기법이다. 페이징은 주소 공간을 고정 크기 조각으로, 세그먼테이션은 코드나 스택 같은 의미 단위의 가변 크기 조각으로 나눈다. 현대 운영체제는 사실상 페이징을 중심으로 동작하며, 세그먼테이션의 의미 구분은 페이지 단위 권한 설정으로 흡수되었다.

페이징의 원리

페이징은 논리 주소 공간을 페이지(page)라는 고정 크기 블록으로, 물리 메모리를 같은 크기의 프레임(frame)으로 나눈다. 페이지 크기는 보통 4KB다. 논리 주소는 페이지 번호와 페이지 내 오프셋(offset)으로 쪼개지고, 페이지 테이블(page table)이 페이지 번호를 프레임 번호로 바꿔 준다. 어떤 페이지든 어떤 프레임에나 들어갈 수 있으므로 외부 단편화(external fragmentation)가 사라진다. 대신 마지막 페이지가 꽉 차지 않아 생기는 내부 단편화(internal fragmentation)는 평균 페이지 절반만큼 발생한다. 페이지 테이블 항목에는 프레임 번호 외에 유효 비트(valid bit), 읽기와 쓰기와 실행 권한 비트, 참조 비트, 수정 비트가 들어 있어 보호와 가상 메모리 운영에 함께 쓰인다.

페이지 크기 4KB(2^12), 32비트 논리 주소라면
논리 주소 = [ 페이지 번호 20비트 | 오프셋 12비트 ]
물리 주소 = 페이지테이블[페이지 번호].프레임번호 * 4096 + 오프셋

예: 논리 주소 0x00003ABC
    페이지 번호 = 0x3, 오프셋 = 0xABC
    페이지 3이 프레임 7에 매핑되어 있으면
    물리 주소 = 7 * 0x1000 + 0xABC = 0x7ABC

TLB: 주소 변환의 캐시

페이지 테이블은 메모리에 있으므로, 순진하게 구현하면 데이터 접근 한 번에 메모리 접근이 두 번(테이블 조회와 실제 접근) 필요하다. 이를 줄이기 위해 MMU 안에 최근 변환 결과를 담는 변환 색인 버퍼(TLB, Translation Lookaside Buffer)를 둔다. TLB에 항목이 있으면(TLB hit) 추가 메모리 접근 없이 즉시 변환되고, 없으면(TLB miss) 페이지 테이블을 걸어 내려가 항목을 채운다. 프로그램의 지역성 덕분에 적중률이 매우 높아 실효 접근 시간은 거의 한 번 접근 수준으로 유지된다. 문맥 교환 시에는 다른 프로세스의 변환이 섞이면 안 되므로 TLB를 비우거나, 항목에 주소 공간 식별자(ASID)를 붙여 구분한다.

페이징은 공유와 보호에도 활용된다. 여러 프로세스의 페이지 테이블이 같은 물리 프레임을 가리키게 하면 C 라이브러리 같은 공유 라이브러리의 코드를 메모리에 한 벌만 두고 모두가 쓸 수 있다. fork의 쓰기 시 복사(copy-on-write)도 부모와 자식이 같은 프레임을 읽기 전용으로 공유하다가 쓰기가 일어난 페이지만 복사하는 페이징 기반 기법이다. 반대로 페이지 항목의 실행 금지 비트(NX bit)는 스택이나 힙에 주입된 코드의 실행을 하드웨어 수준에서 차단해 보안에 기여한다.