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컴퓨터 구조와 운영체제
메모리와 캐시 메모리 - 메모리의 주소 공간
물리 주소와 논리 주소
CPU와 실행 중인 프로그램은 현재 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 다 알고 있을까?
그렇지 않다, 왜냐하면 메모리에 저장된 정보는 시시각각 변하기 때문이다.
메모리에는 새롭게 실행되는 프로그램이 적재되고, 실행이 끝난 프로그램은 삭제된다. 또한 같은 프로그램을 실행하더라도 실행할 때마다 적재되는 주소는 달라질 수 있다.
주소에는 메모리가 사용하는 물리 주소가 있고, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 논리 주소가 있다.
물리 주소
메모리가 사용하는 주소로, 말 그대로 정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소를 의미
논리 주소
CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소로, 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소를 의미
CPU가 이해하는 주소가 논리 주소이고, CPU가 메모리와 상호 작용하려면 논리 주소와 물리 주소간의 변환이 이루어져야 한다.
논리 주소와 물리 주소 간의 변환은 CPU와 주소 버스 사이에 위치한 메모리 관리 장치(MMU) 라는 하드웨어에 의해 수행된다.
MMU는 CPU가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환한다.
즉, 베이스 레지스터는 프로그램의 가장 작은 물리 주소, 프로그램의 첫 물리 주소를 저장하는 셈이고, 논리 주소는 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리인 셈이다.
메모리 보호 기법
다음과 같은 명령어는 실행되어도 안전할까?
당연히 위와 같은 명령어들은 실행되어서 안된다. 프로그램의 논리 주소 영역을 벗어나기 때문이다.
위 명령어들이 실행된다면 전혀 관련 없는 프로그램에 접근하게 된다.
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 필요한데, 이는 한계 레지스터라는 레지스터가 담당한다.
베이스 레지스터가 실행 중인 프로그램의 가장 작은 물리 주소를 저장한다면, 한계 레지스터는 논리 주소의 최대 크기를 저장한다.
즉, 프로그램의 물리 주소 범위는 베이스 레지스터 값 이상, 베이스 레지스터 값 + 한계 레지스터 값 미만이 된다.
CPU가 접근하려는 논리 주소는 한계 레지스터가 저장한 값보다 커서는 안 된다. 한계 레지스터보다 높은 주소 값에 접근하는 것은 곧 프로그램의 범위에 벗어난 메모리에 접근하는 것과 같기 때문이다.
CPU는 메모리에 접근하기 전에 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지를 항상 검사한다.
만약 CPU가 한계 레지스터보다 높은 논리 주소에 접근하려고 하면 인터럽트(트랩)를 발생시켜 실행을 중단한다.
이러한 방식으로 실행 중인 프로그램의 독립적인 실행 공간을 확보하고, 하나의 프로그램이 다른 프로그램을 침범하지 못하게 보호할 수 있다.
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