가상 메모리

독서 개념학습 11 | 가상 메모리 교과서 개념 학습 · 03강 독서의 분야 개념 11 컴퓨터 기억 장치 기술(컴퓨터 과학) — 가상 메모리와 페이징 | 수능특강 p.43~44 지문읽기 구조분석 문제풀기 연계포인트 지문 분야: 기술(컴퓨터 과학) | 주제: 가상 메모리의 원리와 구현 방법 | 유형: 개념 설명+예시형 1 컴퓨터에는 두 가지 기억 장치가 있다. 하나는 상대적으로 큰 저장 용량 데이터를 보관할 수 있는 크기나 공간의 양 을 갖는 ㉠ 보조 기억 장치 보조 기억 장치(補助記憶裝置): 하드디스크, SSD 등 대용량 데이터를 영구적으로 저장하는 장치. 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다. , 다른 하나는 상대적으로 작은 저장 용량을 갖는 ㉡ 주기억 장치 주기억 장치(主記憶裝置): RAM이라 불리는 장치로, CPU가 직접 접근하여 데이터를 읽고 쓸 수 있는 고속 메모리. 전원이 꺼지면 데이터가 사라진다. 이다. 보조 기억 장치에는 프로그램이나 데이터 등을 영구적으로 시간이 지나도 사라지지 않고 계속 유지되는 방식으로 저장할 수 있으며, 컴퓨터는 당장 필요한 프로그램이나 데이터를 보조 기억 장치에서 복사하여 주기억 장치에 저장한 후 처리한다. 그리고 처리가 끝나면 주기억 장치에 저장된 프로그램이나 데이터를 삭제하거나 다시 보조 기억 장치에 저장한다. 따라서 주기억 장치는 프로그램이나 데이터가 일시적으로 잠깐 동안만. 오래 지속되지 않게 머무는 공간이며 일반적으로 '메모리'라고 불린다. 2 프로그램의 연산 수학적 계산이나 논리적 처리를 수행하는 것 을 수행하는 중앙 처리 장치 중앙 처리 장치(中央處理裝置): CPU(Central Processing Unit). 컴퓨터의 두뇌에 해당하며, 프로그램의 명령어를 해석하고 실행하는 핵심 장치. 가 특정한 작업을 실행하고자 할 때 컴퓨터는 필요한 프로그램을 주기억 장치에 올려놓게 되는데 이렇게 주기억 장치에 올라와 실행 중인 프로그램을 프로세스 프로세스(process): 주기억 장치에 올라와 실행 중인 프로그램. 프로그램 자체는 정적인 코드이지만, 프로세스는 실행 상태의 동적 개체이다. 라고 한다. 여러 가지 작업을 동시에 같은 시간에 함께 실행하려면 필요한 프로그램과 데이터를 모두 주기억 장치에 저장해야 하지만 주기억 장치는 저장 용량이 작기 때문에 그러지 못할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 프로그램 중 당장 구동 구동(驅動): 기계나 프로그램 등을 작동시킴. 시킬 일부만을 주기억 장치에 올려놓고 사용하고 나머지는 보조 기억 장치에 두어 보조 기억 장치의 일부를 '메모리'처럼 사용하기도 한다. 이러한 메모리 관리 기법을 가상 메모리 가상 메모리(virtual memory): 주기억 장치의 용량 한계를 극복하기 위해, 보조 기억 장치의 일부를 주기억 장치처럼 사용하는 메모리 관리 기법. 라고 부른다. 3 가상 메모리는 사용자가 여러 가지 프로그램을 동시에 구동하고자 할 때, 프로그램이 아무리 큰 저장 용량을 요구해도 중앙 처리 장치가 당장 실행을 하는 데 필요한 부분은 일부분이라는 점을 이용한다. 당장 필요하지 않은 프로그램 부분은 보조 기억 장치에 두고 필요한 부분만 주기억 장치로 불러서 사용하면 되는 것이다. 이를 위해 프로그램을 같은 크기의 작동 단위인 페이지 페이지(page): 가상 메모리에서 프로그램을 일정한 크기로 분할한 단위. 페이지 단위로 주기억 장치에 올리거나 내린다. 로 분할하고, 페이지 단위로 프로그램을 주기억 장치에 올리는 것을 페이징 페이징(paging): 프로그램을 동일한 크기의 페이지로 나누어 필요한 페이지만 주기억 장치에 올리는 가상 메모리 구현 방식. 이라고 한다. 페이징 방식은 가상 메모리를 실현하는 대표적인 전체를 대신하여 보여줄 수 있는. 가장 잘 알려진 방법이다. 페이징을 할 때 주기억 장치에 페이지를 올릴 자리를 페이지 프레임 페이지 프레임(page frame): 주기억 장치에서 페이지를 저장하기 위해 할당된 공간. 페이지와 동일한 크기를 가진다. 이라고 부른다. 4 예를 들어 프로세스 A와 프로세스 B가 실행 중인데, 프로세스 A와 B는 각각 5개의 페이지로 이루어져 있고, 주기억 장치는 7개의 페이지 프레임을 가지고 있다고 해 보자. 각 페이지의 크기는 100이다. 프로세스 A의 페이지 0과1, 프로세스 B의 페이지 0, 1, 2가 당장 실행되어야 한다고 가정하자. 그러면, 이 다섯 페이지는 주기억 장치의 페이지 프레임 0, 1, 3, 4, 5에 순서대로 들어갈 수 있다. 이때 페이지 프레임 2는 편의상 편리함을 위하여. 간편하게 하려고 비워 두었다. 컴퓨터의 하드웨어 컴퓨터를 구성하는 기계적·전자적 장치 시스템을 효율적으로 들이는 힘이나 비용에 비해 결과가 큰 방식으로 운영하기 위한 소프트웨어 컴퓨터를 작동시키기 위한 프로그램이나 명령어 모음 인 운영 체제 운영 체제(運營體制): OS(Operating System). 하드웨어와 소프트웨어를 관리하고, 사용자와 컴퓨터 사이의 인터페이스를 제공하는 시스템 소프트웨어. 는 프로세스마다 각 페이지가 주기억 장치의 어느 페이지 프레임에 저장되는지를 페이지 테이블 페이지 테이블(page table): 각 프로세스의 페이지가 주기억 장치의 어느 페이지 프레임에 저장되어 있는지를 기록한 표. 에 기록해 놓는다. 따라서 페이지 테이블 A의 0번 항목 전체를 이루는 낱낱의 조목이나 항 에는 주기억 장치의 페이지 프레임 0의 시작 주소 데이터가 저장되어 있는 메모리 공간의 첫 번째 위치 인 0이 기록되고, 페이지 테이블 A의 1번 항목에는 주기억 장치의 페이지 프레임 1의 시작 주소인 100이 기록된다. 이로써 프로세스 A의 페이지 0과 1이 각각 주기억 장치의 페이지 프레임 0, 1번 항목에 저장되어 있음을 알 수 있다. 페이지 테이블 B에는 0번 항목에 주기억 장치의 페이지 프레임 3의 시작 주소인 300이 기록되고, 1번 항목에 페이지 프레임 4의 시작 주소인 400이, 2번 항목에는 페이지 프레임 5의 시작 주소인 500이 기록된다. 페이징 방식에서는 특정 프로세스의 임의의 페이지의 실행이 필요하면 운영 체제가 주기억 장치에 해당 페이지가 있는지 확인한 후 페이지가 있으면 그 페이지에 접근하고, 실행에 필요한 페이지가 페이지 프레임에 없는 상황, 즉 페이지 부재 페이지 부재(page fault): 실행에 필요한 페이지가 주기억 장치의 페이지 프레임에 존재하지 않는 상황. 이 경우 보조 기억 장치에서 해당 페이지를 가져와야 한다. 가 발생하면, 보조 기억 장치에서 해당 페이지를 복사하여 주기억 장치의 페이지 프레임에 저장한 후 그 페이지에 접근한다. 5 주기억 장치의 페이지 프레임이 가득 찼을 때 새로운 페이지의 사용이 필요해지면 기존의 페이지를 제거하고 새로운 페이지를 저장해야 하는데 이것을 페이지 교체 페이지 교체(page replacement): 주기억 장치의 페이지 프레임이 가득 찼을 때, 기존 페이지를 제거하고 새로운 페이지를 저장하는 과정. 라고 한다. 이때 어떤 페이지를 교체할 것인지를 결정해야 한다. 페이지 교체에서 제거할 페이지의 내용이 수정되었으면 운영 체제는 페이지를 제거하기 전에 보조 기억 장치에 수정 사항 바뀌거나 고쳐진 내용 을 써 주고, 내용이 수정되지 않았으면 그대로 해당 페이지를 주기억 장치에서 제거한다. 6 ⓐ페이지 교체 방법에는 FIFO, LRU, LFU 등이 있다. FIFO FIFO(First-In First-Out): 선입 선출 방식. 가장 먼저 들어온 것이 가장 먼저 나가는 원리. 페이지 교체에서는 주기억 장치에 가장 오래 머문 페이지를 우선 교체한다. (First-In First-Out)는 선입 선출 먼저 들어온 것이 먼저 나가는 처리 방식 방식으로, 페이지 프레임에서 가장 먼저 사용된 페이지부터 순서대로 교체된다. 즉 주기억 장치에 들어온 지 가장 오래된 페이지가 먼저 삭제되고 그 페이지 프레임에 새로운 페이지가 들어온다. LRU LRU(Least Recently Used): 최소 최근 사용 방식. 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 우선 교체하는 알고리즘. (Least RecentlyUsed)는 '최소 최근 사용'이라고도 하는데, 가장 오랫동안 사용되지 않았던 페이지가 우선 다른 것보다 먼저. 순서가 앞서 교체된다. LFU LFU(Least Frequently Used): 최소 빈도 사용 방식. 사용 횟수가 가장 적은 페이지를 우선 교체하는 알고리즘. (Least Frequently Used)는 '최소 빈도 같은 일이 되풀이되는 횟수나 정도 사용'이라고도 하는데, 가장 뜸하게 사용된 페이지부터 교체된다. 이 경우에 최소 빈도로 사용한 페이지가 2개 이상인 경우가 발생할 수 있다. 이때 순위를 정하는 추가적인 기존의 것에 더 보태는 규칙 어떤 일을 처리하기 위해 정해 놓은 기준이나 방법 이 필요한데, 가령 예를 들어. 만약에 , 선입 선출 방식이 적용될 수도 있고 최소 최근 사용 방식이 적용될 수도 있다. 이들 세 가지 페이지 교체 방법을 구체적인 뚜렷하고 자세한. 막연하지 않은 예를 통해 살펴보자. 주기억 장치의 페이지 프레임이 3개, 즉 0, 1, 2뿐일 때 페이징을 실행한다고 해 보자. 운영 체제는 페이지를 A, B, C, B, A의 순서로 사용하였으며, 페이지 프레임 0, 1, 2는 각각 A, B, C로 채워져 있다. 이때 새로운 페이지 D가 사용되려면 채워진 페이지 중 하나를 삭제하고 그 자리에 D가 들어가야 한다. 이 경우 페이지 교체 규칙이 FIFO라면, 가장 오래 주기억 장치에 머문 페이지 A가 교체될 것이고, LRU라면, 페이지 프레임에 있는 3개의 페이지 중 가장 오랫동안 사용되지 않았던 C가 교체될 것이다. 또 LFU라면, 페이지의 사용 빈도가 1회로 가장 적게 사용된 페이지 C가 교체될 것이다. 배경지식 &#9660; 글 해제 이 글은 가상 메모리의 개념과 구현 방법을 다루고 있다. 컴퓨터에서 주기억 장치의 용량의 한계를 극복하기 위하여 도입된 가상 메모리는 컴퓨터가 실행에 필요한 프로그램의 일부만을 주기억 장치에 올려놓고 나머지는 보조 기억 장치에 두고 구동시키는 방법으로 프로그램을 같은 크기의 페이지로 나누어 페이지 단위로 주기억 장치에 올리는 방법인 페이징을 많이 사용한다. 필요한 페이지만을 주기억 장치에 올리기 위해서는 페이지 교체를 위한 규칙이 요청되는데, 여기에는 FIFO, LRU, LFU 등의 방법이 있다. 관련 배경지식 가상 메모리는 1961년 영국 맨체스터 대학교의 아틀라스 컴퓨터에서 처음 구현되었다. 현대 운영 체제(Windows, macOS, Linux 등)는 모두 가상 메모리를 사용하고 있으며, 실제로 컴퓨터의 RAM 용량보다 훨씬 큰 프로그램을 실행할 수 있게 해 준다. 오늘날에는 페이징 외에도 세그멘테이션(segmentation)이라는 방식이 있으며, 일부 운영 체제는 두 방식을 혼합하여 사용하기도 한다. &#9998; 구조 분석 글 전체 분석 주제 가상 메모리의 원리와 구현 방법 글의 유형 개념 설명 + 예시형: 핵심 개념을 정의한 뒤 구체적 수치 예시로 원리를 설명하는 구조 핵심 개념 보조 기억 장치, 주기억 장치, 프로세스, 가상 메모리, 페이징, 페이지 프레임, 페이지 테이블, 페이지 부재, 페이지 교체(FIFO, LRU, LFU) 문단별 구조 1문단 컴퓨터의 두 가지 기억 장치 소개: 보조 기억 장치(영구 저장, 큰 용량)와 주기억 장치(일시 저장, 작은 용량 = '메모리')의 역할과 관계 2문단 가상 메모리의 필요성: 프로세스 개념 도입 &rarr; 여러 작업 동시 실행 시 주기억 장치 용량 부족 문제 &rarr; 보조 기억 장치를 메모리처럼 활용하는 가상 메모리 개념 제시 3문단 페이징 방식 설명: 당장 필요한 부분만 주기억 장치에 올리는 원리 &rarr; 프로그램을 동일 크기의 '페이지'로 분할 &rarr; 페이지 프레임에 저장 4문단 페이징의 구체적 예시: 프로세스 A, B의 페이지 배치 &rarr; 페이지 테이블을 통한 주소 관리 &rarr; 페이지 부재 시 보조 기억 장치에서 복사 5문단 페이지 교체의 의미와 절차: 페이지 프레임이 가득 찼을 때 기존 페이지 제거 &rarr; 수정 여부에 따른 처리 방식 차이 6문단 세 가지 페이지 교체 방식(FIFO, LRU, LFU)의 개념 정의와 구체적 예시(A, B, C, B, A 순서 사용 후 D 교체 시나리오)를 통한 비교 핵심 개념 정리 개념 의미 특징 보조 기억 장치 프로그램/데이터를 영구 저장하는 장치 큰 저장 용량, 느린 접근 속도 주기억 장치(메모리) 실행 중인 프로그램/데이터가 일시적으로 머무는 공간 작은 저장 용량, 빠른 접근 속도 프로세스 주기억 장치에 올라와 실행 중인 프로그램 정적 프로그램과 구별되는 동적 실행 단위 가상 메모리 보조 기억 장치 일부를 메모리처럼 사용하는 기법 주기억 장치 용량 한계 극복 페이징 프로그램을 동일 크기의 페이지로 나눠 올리는 방식 가상 메모리의 대표적 구현 방법 페이지 프레임 주기억 장치에서 페이지를 올릴 자리 페이지와 동일한 크기 페이지 테이블 페이지가 어느 프레임에 있는지 기록한 표 프로세스마다 별도 관리 페이지 부재 필요한 페이지가 프레임에 없는 상황 보조 기억 장치에서 복사해 와야 함 교체 방식 기준 예시에서 교체 대상 FIFO 가장 오래 머문 페이지 A (가장 먼저 들어옴) LRU 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지 C (A,B는 나중에 다시 사용됨) LFU 사용 빈도가 가장 적은 페이지 C (1회 사용, A와 B는 2회) 글의 전개 흐름 1단계: 기본 구조 보조 기억 장치(영구 저장) &harr; 주기억 장치(일시 저장) &rarr; 보조에서 복사 &rarr; 주기억에서 처리 &rarr; 삭제 또는 다시 보조에 저장 2단계: 문제 발생 여러 프로세스 동시 실행 &rarr; 주기억 장치 용량 부족 &rarr; 가상 메모리 도입 3단계: 해결책 - 페이징 프로그램을 페이지로 분할 &rarr; 필요한 페이지만 페이지 프레임에 올림 &rarr; 페이지 테이블로 위치 관리 4단계: 페이지 교체 프레임이 가득 참 &rarr; 교체 필요 &rarr; FIFO(선입선출) / LRU(최소 최근 사용) / LFU(최소 빈도 사용) OX 퀴즈 맞힌 문제 0 / 20 1. 주기억 장치는 프로그램이나 데이터가 일시적으로 머무는 공간이며 일반적으로 메모리라고 불린다. O X 2. 프로세스는 보조 기억 장치에 영구적으로 저장되어 실행을 대기하는 프로그램을 의미한다. O X 3. 페이징은 프로그램을 같은 크기의 작동 단위인 페이지로 분할하여 주기억 장치에 올리는 방식이다. O X 4. 운영 체제는 특정 프로세스의 임의의 페이지가 주기억 장치의 어느 페이지 프레임에 있는지 보조 기억 장치에 기록해 놓는다. O X 5. 페이지 부재가 발생하면 보조 기억 장치에서 해당 페이지를 복사하여 주기억 장치의 페이지 프레임에 저장한 후 그 페이지에 접근한다. O X 6. 페이지 교체 시 제거할 페이지의 내용이 한 번이라도 수정되었다면 운영 체제는 해당 페이지를 즉시 주기억 장치에서 삭제한다. O X 7. FIFO 방식은 주기억 장치에 들어온 지 가장 오래된 페이지가 먼저 삭제되는 선입 선출 방식이다. O X 8. LRU 방식은 페이지 프레임에서 가장 먼저 사용된 페이지부터 순서대로 교체되는 방식이다. O X 9. LFU 방식은 최소 빈도로 사용한 페이지가 2개 이상일 때 선입 선출이나 최소 최근 사용 방식을 추가적인 규칙으로 적용할 수 있다. O X 10. 가상 메모리는 주기억 장치의 용량이 보조 기억 장치보다 클 때 사용하는 메모리 관리 기법이다. O X 11. 프로그램의 전체 크기가 주기억 장치 용량보다 커도 중앙 처리 장치가 당장 실행에 필요한 부분만 주기억 장치로 불러오면 여러 프로그램을 동시에 구동할 수 있다. O X 12. 페이징 방식을 사용할 때, 실행이 필요한 페이지가 주기억 장치의 페이지 프레임에 없는 상황이 발생하면 페이지 부재가 발생했다고 할 수 있다. O X 13. FIFO 방식과 달리 LFU 방식은 페이지가 주기억 장치에 머문 시간을 최우선 기준으로 하여 교체 순위를 정한다. O X 14. 세 개의 프레임에 A, B, C 페이지가 있고 이를 A, B, C, B, A 순서로 사용했을 때, FIFO 방식이라면 가장 오래 머문 A가 교체 대상이고, LRU 방식이라면 가장 오랫동안 사용되지 않은 C가 교체 대상이다. O X 15. 페이지를 교체할 때 내용이 수정되지 않은 페이지는 수정된 페이지에 비해 보조 기억 장치에 내용을 다시 써 주는 추가 작업이 필요하여 처리 시간이 더 오래 걸린다. O X 16. LFU 방식에서는 주기억 장치에 가장 먼저 들어와 오래 머문 페이지라도 현재까지의 전체 접근 빈도가 높다면 우선 교체 대상에서 제외된다. O X 17. 페이징 방식은 프로그램을 논리적 의미에 따라 크기가 가변적인 단위로 분할하여 주기억 장치의 빈 공간을 빈틈없이 채울 수 있다. O X 18. LRU 알고리즘은 최소 최근 사용 방식으로, 주기억 장치 내에서 가장 적은 횟수(빈도)로 참조된 페이지를 우선적으로 내보낸다. O X 19. 가상 메모리를 구현하기 위해서는 당장 실행해야 할 여러 프로세스를 일단 주기억 장치에 모두 올린 후 공간이 부족해지면 불필요한 부분을 보조 기억 장치로 돌려보내야 한다. O X 20. 페이지 부재가 발생했다고 해서 항상 페이지 교체가 일어나는 것은 아니며, 주기억 장치의 페이지 프레임이 모두 가득 찼을 때에만 교체가 이루어진다. O X &#9733; 연계 포인트 수능 출제 핵심 포인트 Point 1. 개념 간 대비 구조 파악 보조 기억 장치 vs 주기억 장치, 프로그램 vs 프로세스 등 대비되는 개념 쌍을 정확히 구분하는 문제가 출제될 수 있다. 각 개념의 속성(용량, 속도, 저장 방식)을 비교표로 정리해 두자. Point 2. 구체적 사례에 원리 적용 수능 기술 지문에서는 <보기>에 구체적 수치나 시나리오를 제시하고 원리를 적용하는 문제가 핵심이다. FIFO/LRU/LFU 같은 규칙을 주어진 조건에 단계별로 적용하는 연습이 필수이다. Point 3. 조건 분기의 정확한 추적 '수정되었으면 ~ 써 주고, 수정되지 않았으면 ~ 제거한다'처럼 조건에 따라 처리가 달라지는 구조에서 조건과 결과의 대응 관계를 바꿔 놓는 오답 선지가 자주 출제된다. Point 4. 문제 해결형 구조 인식 이 지문은 '문제(주기억 장치 용량 부족) &rarr; 해결(가상 메모리) &rarr; 구현(페이징) &rarr; 세부 규칙(FIFO/LRU/LFU)'의 전형적 기술 지문 구조이다. 수능에서 이런 문제 해결형 구조의 독해 전략을 익혀 두자. 기출 매칭 &#128218; 2022학년도 수능 국어 — 운영 체제의 스케줄링 프로세스 관리와 스케줄링 알고리즘(FCFS, SJF 등)을 다룬 지문으로, 규칙을 사례에 적용하는 유형이 동일하다. &#128218; 2021학년도 6월 모의평가 — 캐시 메모리 메모리 계층 구조와 데이터 접근 원리를 다룬 지문으로, 주기억 장치와 캐시 메모리의 관계가 본 지문의 보조-주기억 관계와 유사한 구조이다. &#128218; 갈래 복합 출제 예측 컴퓨터 기억 장치의 원리와 인간의 기억 심리학(단기 기억 vs 장기 기억)을 연계한 융합 지문이 출제될 수 있다. 주기억/보조 기억 = 단기/장기 기억의 유사 구조에 주목하자.