[OS] 메인 메모리(3) - TLB(translation look-aside buffers)

 

서론

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이전 게시글에서 페이징 기법에 대해 알아보았습니다. 메인 메모리에 페이지 테이블을 저장하면 문맥 교환 속도가 빨라지지만 페이지 테이블을 확인하기 위해 메모리 액세스를 함으로써 시간이 더 느려질 수도 있습니다. 메모리 i에 액세스 하려고 한다고 가정해봅시다. 먼저 페이지 번호를 기준으로 페이지 테이블 기준 레지스터(PTBR) 오프셋의 값을 사용하여 페이지 테이블의 항목을 찾습니다. 이 작업에는 한 번의 메모리 액세스가 필요합니다. 이렇게 얻은 프레임 번호와 페이지 오프셋을 결합하여 실제 주소를 생성합니다. 그런 다음 메모리에서 원하는 위치에 액세스 할 수 있습니다. 이 기법을 사용하면 데이터에 액세스 하려면 두 번의 메모리 액세스가 필요합니다(한 번은 페이지 테이블 항목과 한 번은 실제 데이터). 따라서 메모리 접근 시간은 2배로 느려지고 이는 대부분의 상황에서 허용할 수 없는 지연시간입니다.

이번 게시글에서는 이러한 문제를 해결하기 위한  TLB(translation look-aside buffers)라고 불리는 특수한 소형 하드웨어 캐시에 대해 알아보겠습니다.

이 장의 목표
1. 논리 주소와 물리 주소의 차이점과 주소를 변환할 때 MMU(메모리 관리 장치)의 역할을 정리해 본다.(이전 게시글)
2. 메모리를 연속적으로 할당하기 위해 최초, 최적, 및 최악 접합 전략을 적용해 본다.(이전 게시글)
3. 단편화에 대해 알아보고 단편화의 두 가지 종류 내부 및 외부 단편화의 차이점을 정리해 본다. (이전 게시글)
4. 외부 단편화 문제를 해결하기 위한 페이징 기법을 살펴본다. (이전 게시글)
5. TLB(translation look-aside buffer)가 포함된 페이징 시스템에서 논리 주소를 물리 주소로 변환한다. (현재 게시글)
6. 계층적 페이징, 해시 페이징 및 역 페이지 테이블을 설명한다. (다음 게시글)

 

TLB(translation look-aside buffers)

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 TLB(translation look-aside buffers)는 매우 빠른 연관 메모리(associative memory)로 구성됩니다. TLB 내의 각 항목은 키(key)와 값(value)의 두 부분으로 구성됩니다. TLB에 페이지를 찾아달라고 요청이 들어오면 이 찾고자 하는 페이지를 동시에 여러 개의 내부 키(페이지 번호)와 비교합니다. 페이지 번호가 같은 것이 발견되면 그에 대응하는 프레임 번호를 알려줍니다. 검색의 속도는 빠르고 현대 하드웨어에서의 TLB 검색은 명령어 파이프라인의 일부로 동작하며 성능에 추가적인 손해를 끼치지 않습니다. 그러나 파이프라인 단계 동안 검색을 하기 위해서는 TLB의 크기는 작게 유지할 수밖에 없으며 통상 32개에서 1024개의 항목을 유지합니다. 

 TLB는 페이지 테이블과 함께 다음과 같이 사용됩니다. TLB는 페이지 테이블의 일부분만을 저장합니다. CPU가 논리 주소를 생성하면 MMU는 해당 페이지 번호가 TLB에 있는지 확인합니다. 페이지 번호가 발견되면 해당 프레임 번호를 즉시 알 수 있고, 메모리를 접근하는 데 사용됩니다. 

 페이지 번호가 TLB에 없으면(TLB 미스라고 함) 주소 변환은 메인 메모리(1) 게시글에서 설명한 단계에 따라 진행되며, 여기서 페이지 테이블에 대한 메모리 참조가 이루어져야 합니다. 프레임 번호가 확보되면 이를 사용하여  아래 이미지와 같이 메모리에 액세스 할 수 있습니다. 

TLB를 사용하는 페이징 하드웨어

 또한 페이지 번호와 프레임 번호를 TLB에 추가하여 다음 참조에서 빠르게 찾을 수 있도록 합니다.

 만약 TLB가 가득 차면, 기존 항목 중에서 교체될 항목을 선택해야 합니다. 교체 정책은 LRU, 라운드 로빈, 무작위 등 다양한 정책이 사용되는데 이는 나중에 다른 한번 정리해 보겠습니다. 

 접근하려는 메모리의 페이지 번호가 TLB에서 발견되는 비율을 적중률(hit ratio)이라고 부릅니다. 예를 들어 80% 적중률이란 TLB에서 원하는 페이지 번호를 발견할 확률이 80%라는 것을 의미합니다.

 

정리

• TLB는 페이지 테이블의 하드웨어 캐시이다. 
• 각 TLB 항목에는 페이지 번호와 상응하는 프레임을 저장한다.
• 페이징 시스템의 주소 변환에 TLB를 사용하려면 논리 주소에서 페이지 번호를 가져와서 해당 페이지의 프레임이 TLB에 있는지 확인한다.
• 만약 TLB에 있다면 프레임은 TLB로부터 얻어지고 TLB에 프레임이 없다면 페이지 테이블에서 찾아야 한다.

 

[OS] 메인 메모리(4) - 페이지 테이블의 구조(Structure of the Page Table)