메모리 주소

3. 주소 공간 (Address Space)

마이크로프로세서가 메모리에 접근할 때 사용할 수 있는 주소의 범위를 주소 공간이라고 한다. 마이크로프로세서는 무한한 주소를 다룰 수 없으므로, 정해진 비트 수의 주소 버스를 사용하여 메모리 위치를 식별하며, 이 주소 버스의 비트 수가 주소 공간의 크기를 결정한다. 마이크로프로세서는 초기의 4비트부터 시작하여 8비트, 16비트, 32비트를 거쳐 현재의 64비트까지 발전해 왔으며, 이에 따라 주소 공간도 점차 확장되었다. 각 마이크로프로세서는 고유한 주소 공간을 가지며, 때로는 하나의 프로세서가 여러 개의 독립적인 주소 공간을 복합적으로 사용하기도 한다.

현대의 컴퓨터는 대부분 메모리 내의 개별 바이트마다 주소를 할당하는 바이트 주소 지정 방식을 사용한다. 따라서 1바이트보다 큰 데이터는 연속된 주소를 가진 여러 바이트에 걸쳐 저장된다. 하지만 과거의 일부 컴퓨터나 특정 시스템에서는 워드(컴퓨터가 한 번에 처리하는 데이터 단위)를 기본 단위로 주소를 지정하는 워드 주소 지정 방식을 사용하기도 했다. 예를 들어, 16비트 워드를 사용하는 데이터 제너럴 노바나 텍사스 인스트루먼트의 TMS9900 같은 프로세서는 2바이트를 하나의 주소 단위로 취급했다.

주소 공간의 크기는 주소 버스의 비트 수에 따라 기하급수적으로 증가한다. n비트의 주소 버스를 가진 시스템은 2ⁿ개의 고유한 메모리 주소를 식별할 수 있다. 예를 들어, 20비트 주소 버스를 사용했던 인텔 8086은 2²⁰개, 즉 1,048,576개의 메모리 위치(1MiB)를 주소 지정할 수 있었고, 32비트 주소 버스를 사용하는 인텔 80386과 같은 프로세서는 2³²개, 즉 4,294,967,296개의 메모리 위치(4GiB)를 주소 지정할 수 있었다. 이후 64비트로 확장되면서 주소 공간은 더욱 커졌다.

과거에는 십진수 숫자를 사용하여 메모리 주소를 지정하는 컴퓨터(IBM 1620 등)도 존재했다. 또한, 메모리 관리의 복잡성이 증가하면서 메모리 관리 장치(MMU)와 같은 기술이 도입되어 프로그램이 사용하는 논리주소를 실제 하드웨어의 물리주소로 변환하고 메모리 접근 권한을 관리하는 등 효율적인 메모리 활용을 돕는다.

3. 1. 8비트 마이크로프로세서의 주소 공간

3. 2. 32비트 마이크로프로세서의 주소 공간

3. 3. 64비트 마이크로프로세서의 주소 공간

4. 주소 지정 단위 (Unit of Address Resolution)

대부분의 현대 컴퓨터는 ''바이트 어드레싱''(Byte addressing) 방식을 사용한다. 이 방식에서 각 메모리 주소는 저장 공간의 단일 바이트 (8비트)를 식별한다. 만약 데이터가 1바이트보다 크다면, 해당 데이터는 연속된 주소들에 걸쳐 저장된다.

반면, 최소 주소 지정 단위가 프로세서의 워드(word) 크기와 동일한 ''워드 어드레싱''(Word addressing) 방식을 사용하는 컴퓨터도 존재한다. 예를 들어, 데이터 제너럴 노바 미니컴퓨터, 텍사스 인스트루먼트 TMS9900 및 내셔널 세미컨덕터 IMP-16 마이크로컴퓨터는 16비트 워드를 사용했다. 또한, 많은 36비트 메인프레임 컴퓨터 (예: PDP-10)는 18비트 워드 어드레싱을 사용했으며, 바이트 어드레싱은 지원하지 않았다. 이들 컴퓨터는 2¹⁸개의 36비트 워드, 즉 약 1MiB에 해당하는 저장 공간을 주소 지정할 수 있었다.

메모리 주소 지정의 효율성은 주소에 사용되는 주소 버스의 비트 수에 따라 결정된다. 더 많은 비트를 사용할수록 컴퓨터가 접근할 수 있는 메모리 주소의 개수가 늘어난다. 예를 들어, 20비트 주소 버스를 가진 8비트 바이트 어드레싱 컴퓨터 (예: 인텔 8086)는 2²⁰개(1,048,576개)의 메모리 위치, 즉 1MiB의 메모리를 주소 지정할 수 있다. 반면, 32비트 주소 버스를 가진 컴퓨터 (예: 인텔 80386)는 2³²개(4,294,967,296개)의 위치, 즉 4GiB의 주소 공간을 다룰 수 있다. 이와 비교하여, 18비트 주소 버스를 가진 36비트 워드 어드레싱 컴퓨터는 2¹⁸개(262,144개)의 36비트 워드 위치를 주소 지정할 수 있는데, 이는 총 9,437,184비트에 해당하며, 8비트 바이트로 환산하면 1,179,648바이트(1152KiB 또는 1.125MiB)로, 인텔 8086보다 약간 더 큰 용량이다.

일부 구형 컴퓨터(십진 컴퓨터)는 십진법 숫자를 직접 주소로 사용하는 방식(Decimal addressing)을 사용하기도 했다. 예를 들어, IBM 1620의 자기 코어 메모리는 각 주소가 하나의 6비트 이진화 십진법(BCD) 숫자를 나타냈다. 이 6비트는 패리티 비트 1개, 플래그 비트 1개, 그리고 숫자 비트 4개로 구성되었다. IBM 1620은 5자리의 십진수 주소를 사용했으므로, 이론적으로 가능한 가장 높은 주소는 99,999였다. 실제로는 기본 CPU가 20,000개의 메모리 위치를 지원했으며, 선택적으로 외부 메모리 유닛을 최대 2개까지 추가할 수 있었다. 각 외부 유닛은 20,000개의 주소를 지원했으므로, 총 60,000개(주소 범위 00000–59999)의 메모리 위치를 가질 수 있었다.

5. 워드 크기 vs. 주소 크기 (Word Size vs. Address Size)

워드 크기는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 비트 수를 나타내는 컴퓨터 아키텍처의 특징이다. 임베디드 시스템을 포함한 현대 프로세서는 일반적으로 8, 16, 24, 32 또는 64비트의 워드 크기를 가지며, 현재 대부분의 범용 컴퓨터는 32비트 또는 64비트를 사용한다. 역사적으로는 8, 9, 10, 12, 18, 24, 36, 39, 40, 48, 60비트 등 다양한 크기가 사용되었다.

현대 컴퓨터의 "워드 크기"를 언급할 때는, 해당 컴퓨터의 주소 공간 크기를 설명하는 경우도 많다. 예를 들어, "32비트"라고 하는 컴퓨터는 일반적으로 32비트 메모리 주소를 사용하며, 바이트 주소 지정이 가능한 32비트 컴퓨터는 2³² = 4,294,967,296 바이트, 즉 4GiB의 메모리를 주소 지정할 수 있다. 이를 통해 하나의 메모리 주소를 하나의 워드에 효율적으로 저장할 수 있다.

그러나 이것이 항상 적용되는 것은 아니다. 컴퓨터는 워드 크기보다 크거나 작은 메모리 주소를 가질 수 있다. 예를 들어, MOS 테크놀로지 6502와 같은 많은 8비트 프로세서는 16비트 주소를 지원했는데, 만약 그렇지 않았다면 256 바이트의 메모리 주소 지정으로 제한되었을 것이다. 16비트 인텔 8088과 인텔 8086은 세그멘테이션을 통해 20비트 주소를 지원하여, 64KiB가 아닌 1MiB의 메모리에 접근할 수 있었다. 펜티엄 프로 이후의 모든 인텔 펜티엄 프로세서는 물리 주소 확장(PAE) 기능을 포함하여, 32비트 가상 주소를 36비트 물리 주소에 매핑하는 것을 지원한다.

이론적으로, 현대의 바이트 주소 지정이 가능한 64비트 컴퓨터는 2⁶⁴ 바이트 (16EiB)를 주소 지정할 수 있다. 하지만 실제 메모리 양은 CPU, 메모리 컨트롤러, 또는 인쇄 회로 기판 설계 (예: 물리 메모리 커넥터 수 또는 납땜된 메모리 양) 등에 의해 제한된다.

6. 메모리 모델 (Memory Model)

메모리 모델은 컴퓨터 프로그램이 메모리에 접근하는 방식에 대한 추상적인 개념이다. 많은 프로그래머는 코드 공간, 데이터 공간, 물리 메모리, 가상 메모리 등의 구분이 없는 단일한 주소 공간처럼 메모리를 다루는 플랫 메모리 모델(flat memory model^영어)을 선호한다. 이 모델에서는 같은 주소값을 가진 포인터가 RAM 상에서 항상 동일한 바이트를 가리킨다.

하지만 모든 시스템이 이러한 모델을 따르는 것은 아니다. 예를 들어, 초기의 많은 컴퓨터나 하버드 아키텍처를 사용하는 시스템은 프로그램과 데이터를 위한 메모리 공간을 물리적으로 분리했다. 또한, 현대의 일부 DSP는 성능 향상을 위해 여러 개의 독립된 메모리 영역(예: 프로그램용, 데이터용, 계수용)을 가지기도 한다.

현대 컴퓨터 시스템에서는 응용 프로그램이 직접 물리 주소를 다루기보다는 논리 주소(가상 주소)를 사용하며, 이는 컴퓨터의 메모리 관리 장치(MMU)와 운영 체제에 의해 실제 물리 주소로 변환된다. 이러한 가상 메모리 시스템 역시 메모리 모델의 중요한 부분을 이룬다.

6. 1. 플랫 메모리 모델 (Flat Memory Model)

6. 2. 세그먼트 메모리 모델 (Segmented Memory Model)

6. 3. 하버드 아키텍처 (Harvard Architecture)

7. 메모리 뱅크 (Memory Bank)

많은 8비트 마이크로프로세서는 16비트의 주소 공간을 사용한다. 따라서 최대로 사용할 수 있는 메모리 공간은 16비트 주소 체계에 따라 64KB (2¹⁶ 바이트)로 제한된다. 그러나 초기 8비트 시스템이 점차 발전하고 복잡해지면서 더 많은 메모리 용량이 필요하게 되었다. 이러한 64KB의 한계를 넘어서기 위해 메모리 뱅크(Memory Bank)라는 개념이 도입되었다. 이 방식은 프로그램이 특정 뱅크를 선택하고, 선택된 뱅크의 메모리 영역에 접근하는 방식으로 동작하여 64KB 이상의 메모리를 사용할 수 있도록 지원한다.

8. 주소 지정 방식 (Addressing Mode)

컴퓨터 프로그램은 메모리 주소를 사용하여 기계어를 실행하고 데이터를 저장하거나 불러온다. 프로그램이 메모리 주소에 접근하는 방식에는 여러 가지가 있다.

가장 기본적인 방식은 명시적으로 주어진 주소, 즉 '''절대 주소'''를 사용하는 것이다. 이는 저수준 언어에서 주로 사용되는 용어이며, 고수준 언어에서는 포인터 데이터 형식을 통해 구현된다.

다른 방식으로는 특정 위치(베이스 주소)를 기준으로 상대적인 위치를 나타내는 상대 주소를 사용하는 것이다. 이를 통해 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는지를 계산하여 실제 주소를 찾는다. 이 외에도 다양한 간접적인 어드레싱 모드가 존재한다.

가상 메모리 시스템에서는 프로그램이 사용하는 논리 주소(또는 가상 주소)와 실제 하드웨어의 물리 주소가 직접 일치하지 않는다. 프로그램은 논리 주소를 사용하고, 컴퓨터의 메모리 관리 장치(MMU)와 운영 체제의 메모리 매핑 기능을 통해 이 논리 주소가 실제 물리 주소로 변환된다. 이 과정에서 여러 단계의 간접 참조가 추가될 수 있다.

9. 응용 프로그램의 주소 공간 (Address Space in Application Programming)

가상 메모리가 도입된 이후, 대부분의 응용 프로그램은 물리 주소를 직접 다루지 않는다. 대신 논리 주소 또는 가상 주소를 사용하며, 이는 컴퓨터의 메모리 관리 장치(MMU)와 운영 체제의 메모리 매핑 기능을 통해 물리 주소로 변환된다.

현대의 멀티태스킹 환경에서 응용 프로그램의 프로세스는 일반적으로 자신의 주소 공간 내에 다음과 같은 종류의 메모리 영역을 가진다.

• '''기계어''' 영역:
• 프로그램 자체의 코드 (과거에는 ''코드 세그먼트'' 또는 ''텍스트 세그먼트''라고 불림)
• 공유 라이브러리
• '''데이터''' 영역:
• 초기화된 데이터 (데이터 세그먼트)
• 초기화되지 않은 변수
• 호출 스택 (런타임 스택)
• 힙
• 공유 메모리 및 메모리 맵 파일

참조

_[1] 웹사이트 5.10.1. The Memory and Memory Addresses http://www.cs.ecu.ed[...] 2022-08-20
_[2] 서적 IBM System/360 Principles of Operation http://bitsavers.org[...] 1968-09
_[3] 서적 z/Architecture Principles of Operation https://www.vm.ibm.c[...] 2022-05
_[4] 서적 z/Architecture Principles of Operation https://www.vm.ibm.c[...] 2022-05
_[5] 웹사이트 アーカイブされたコピー http://www.personal.[...] 2013-12-15