지난 시간에 이어, x86 아키텍쳐 메모리 관리 스킴에 대해서 계속 공부하도록 합시다. 지난 시간에는 세그먼테이션과 페이징의 기본 개념과 필요성에 대해서 언급하였는데요. 현재의 메모리 관리 스킴을 설명하기 앞서, 일단 과거 x86 아키텍쳐의 메모리 관리 스킴의 히스토리를 조금 짚고 넘어가도록 하겠습니다.
1) 세그먼트(Segment)와 오프셋(Offset)
세그먼테이션은 고유한 속성을 가진 메모리의 조각을 영역별로 나누어 어드레싱하고 관리하는 기법이라고 이전 챕터에서 정의하였습니다. 과거 8086 아키텍쳐에서 지원하는 세그먼테이션의 경우에는 현재 세그먼테이션 스킴과 비교해 컨셉이 전혀 달랐습니다. 8086 아키텍쳐에서 사용한 세그먼테이션의 근본적인 배경은 더 많은 메모리 주소 공간을 어드레싱하기 위함이었지요. 당시 8086 아키텍쳐는 8개의 16비트 레지스터와 16비트 데이터 버스와 20비트 어드레스 버스를 가졌습니다. 하나의 16비트 레지스터로 20비트 어드레스를 표현할 수 없었기 때문에 인텔이 고안해낸 방법은 세그먼트:오프셋 조합으로 20비트 어드레스를 나타내는 것이었습니다. 그러니까 세그먼트 값을 4비트만큼 왼쪽으로 쉬프트하고 여기에 오프셋 값을 더하여 온전한 20비트의 물리 주소를 표현하였습니다.
이와 같이, 세그먼트:오프셋 조합으로 물리 주소를 표현하면 동일한 물리 주소를 다양한 세그먼트:오프셋 조합으로 표현할 수 있습니다. (예를 들면, 0xFFFFF 물리 주소는 FFFFh:000Fh, FFF0h:00FFh, FF00h:0FFFh, F000h:FFFFh로 표현 가능) 그렇다면 만약에 FFFFh:0010h으로 물리 주소를 표현하면 어떻게 될까요? 이 경우엔 20비트로 표현할 수 있는 범위를 초과하기 때문에 다시 0x0000의 물리 주소로 랩핑됩니다.
2) 리얼 모드(Real Mode or Real Address Mode)와 보호 모드(Protected Mode)
8086 머신에서는 20비트 어드레스를 표현하기 위해 세그먼트:오프셋 조합으로 주소 지정을 하게 되는데, 1MB 범위의 메모리 영역 어느 곳이든 주소 지정이 가능할 뿐만아니라, 읽기/쓰기가 가능합니다. 즉, 전적으로 프로그램을 구현하는 프로그래머가 메모리 관리를 책임져야 하며, 이는 과거 머신에서 메모리 관리에 대한 안정성과 보안성에 대한 고려가 되지 않았습니다. 이러한 CPU 연산 모드를 리얼 모드라고 합니다. 8086 이후에 등장하게 된 80286 프로세서부터 멀티 태스킹 환경을 제공했습니다. 그리고 어드레스 버스가 24비트로 확장되었으며, 더이상 이전의 세그먼트:오프셋 조합으로 주소 지정하지 않고 세그먼트 셀렉터가 가리키는 세그먼트 디스크립터의 베이스 어드레스와 오프셋의 조합으로 최대 16MB까지 주소 지정을 가능하도록 하였습니다. 이것은 제가 원래 처음에 설명드렸던 세그먼테이션 컨셉이기도 합니다. 하위 호환성 유지를 위해 여전히 리얼 모드를 제공하였고 새롭게 보호 모드를 도입하였습니다. 이것은 다른 세그먼트들간의 코드, 데이터, 스택 영역에 대한 오버랩핑을 제한하도록 하고 세그먼트마다 특권 레벨을 부여하여 합법적이지 않은 접근에 대해 각 세그먼트 영역을 보호하였습니다. 80286 다음으로 등장하게 된 프로세서가 80386으로, 이때부터 완전한 32비트 레지스터 셋과 함께 32비트 버스 라인을 가졌습니다. 여기서부터 유저 영역과 커널 영역의 주소 공간을 나누어 유저 레벨에서 동작하는 프로그램이 커널 영역의 접근을 보호하도록 하였습니다. 그리고 유저 레벨의 프로세스마다 독립적인 영역으로 분리를 통해, 서로간의 메모리 영역 침범을 제한하여 안정성과 보안성을 높였습니다. 그리고 페이징 유닛의 추가로, 유저 프로세스마다 4GB에 이르는 주소 공간에 가상 메모리를 할당할 수 있도록 지원하였습니다.
여기까지 정리를 마무리하도록 하겠습니다. 즐거운 하루 보내세요.
Written by Simhyeon, Choe
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