정보처리산업기사, 운영체제는 물리 메모리보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 가상기억장치(Virtual Memory) 를 사용한다. 이는 실제로 모든 데이터를 메모리에 올려두지 않고, 필요한 일부만 적재하는 방식으로 프로세스 실행의 유연성과 효율을 극대화한다.
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1. 가상기억장치의 개념
1) 정의
가상기억장치는 보조기억장치(예: HDD, SSD) 의 일부를 주기억장치처럼 활용하는 기술이다.
즉, 사용자는 실제보다 더 큰 메모리를 사용하는 것처럼 느끼지만,
운영체제는 백그라운드에서 필요한 부분만 적재·교체한다.
| 구분 | 설명 |
|---|---|
| 물리 메모리(Physical Memory) | 실제 RAM |
| 가상 메모리(Virtual Memory) | 디스크 공간 일부를 논리 메모리로 사용 |
| 페이지 폴트(Page Fault) | 필요한 페이지가 메모리에 없을 때 발생하는 인터럽트 |
2) 동작 원리
- 프로세스는 논리주소(Logical Address) 를 기반으로 실행된다.
- MMU(Memory Management Unit)가 논리주소를 물리주소(Physical Address) 로 변환한다.
- 필요한 데이터가 메모리에 없으면 페이지 부재(Page Fault) 가 발생한다.
- 운영체제가 디스크에서 해당 페이지를 메모리로 불러온다.
- 교체 대상 페이지를 선택해야 하는데, 이때 페이지 교체 알고리즘이 사용된다.
3) 가상 메모리의 구성요소
| 구성요소 | 설명 |
|---|---|
| 페이지(Page) | 프로세스 단위로 나눈 일정 크기의 논리 블록 |
| 프레임(Frame) | 물리 메모리의 동일 크기 블록 |
| 페이지 테이블(Page Table) | 페이지 번호 ↔ 프레임 번호 매핑 |
| TLB (Translation Lookaside Buffer) | 최근 참조 주소 변환을 캐시 형태로 저장, 속도 향상 |
| 스왑 영역(Swap Area) | 보조기억장치 중 페이지 교체에 사용되는 공간 |
2. 페이징(Paging)
1) 원리
- 프로세스를 동일한 크기의 페이지(Page) 단위로 나누어 저장한다.
- 각 페이지는 물리 메모리의 프레임(Frame)에 배치된다.
- 페이지 테이블이 논리주소와 물리주소를 연결한다.
주소 변환 방식
논리주소 = (페이지번호, 오프셋)
물리주소 = 프레임번호 + 오프셋
2) 특징
| 구분 | 설명 |
|---|---|
| 장점 | 외부 단편화 해결, 메모리 효율 향상 |
| 단점 | 내부 단편화 가능, 주소 변환 오버헤드 증가 |
| 해결 | TLB를 통한 주소 캐싱 |
3. 세그먼테이션(Segmentation)
1) 원리
- 프로그램을 의미 단위인 세그먼트(Segment)로 분할한다. (예: Code, Data, Stack 등)
- 각 세그먼트는 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
- 논리주소는 (세그먼트 번호, 오프셋) 으로 구성된다.
2) 특징
| 항목 | Paging | Segmentation |
|---|---|---|
| 기준 단위 | 고정 크기 (Page) | 가변 크기 (Segment) |
| 단편화 | 내부 단편화 | 외부 단편화 |
| 주소 구성 | 페이지번호 + 오프셋 | 세그먼트번호 + 오프셋 |
| 장점 | 단편화 해결 | 논리적 구조 반영 |
| 단점 | 주소 변환 복잡 | 외부 단편화 발생 가능 |
4. 페이징 + 세그먼테이션 혼합
현대 OS(Linux, Windows)는 페이징 + 세그먼테이션을 결합하여 사용한다.
- 세그먼트는 논리적 프로그램 구조를 반영
- 페이지는 실제 물리적 배치를 관리
예: x86 아키텍처의 메모리 관리 구조
5. 가상기억장치의 장점과 단점
| 구분 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 장점 | 물리 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능, 메모리 효율 향상, 다중 프로그래밍 용이 | 페이지 폴트 발생 시 디스크 I/O로 인한 성능 저하 |
| 단점 | 주소 변환 복잡, 하드웨어 지원 필요, 교체 알고리즘 효율에 따라 성능 차이 발생 |
6. 실기 핵심 포인트
- 논리주소 → 물리주소 변환 구조 암기
- 페이지/프레임 개념 구분
- 세그먼트 구조와 단편화 구분
- 페이지 폴트와 교체 알고리즘 관계 이해
다음 학습 – 페이지 교체 알고리즘
다음 학습에서는 페이지 교체 알고리즘(FIFO, LRU, OPT) 을 다룬다. 가상기억장치에서 발생하는 페이지 폴트(Page Fault)를 줄이기 위한 다양한 교체 규칙과 계산 문제를 단계별로 풀이한다.