[메모리] 바인딩과 바인딩 분류

프로세서가 프로세스를 실행시키기 위해서는 해당 프로세스의 논리적 주소에 대응하는 물리적 주소를 알아야 한다. 논리적 주소를 물리적 주소로 연결(대응)하는 것을 매핑(Mapping)이라하며 두 주소의 연결 그 자체를 의미한다.

두 주소를 매핑하는 작업을 바인딩(Binding)이라고 부른다.

 

바인딩은 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 시점에 따라 컴파일 시간(Compile-time Binding), 적재 시간(Load-time Binding), 실행 시간(Run-time Binding)으로 구분할 수 있다. 

<변환 시점에 따른 바인딩 분류>

 

컴파일 시간(Compile-time Binding)

프로세스가 메모리에 적재될 위치를 컴파일 과정에서 알 수 있다면 컴파일러는 물리적 주소를 생성할 수 있다.

• 프로그램이 컴파일될 때 논리적 주소가 고정된 물리적 주소로 바인딩된다.
• 실행 파일이 생성되는 낮은 단계에서 물리적 주소가 고정(결정)되며 프로그램 실행 중 변하지 않는다.
• 따라서 프로그램이 최초에 바인딩된 특정 메모리 위치에서만 실행된다. 

; 변수를 물리적 주소 1000번지에 고정
MOV AX, [1000H]   ; 1000번지의 데이터를 AX 레지스터로 이동
ADD AX, 10        ; 데이터를 10만큼 증가
MOV [1000H], AX   ; 결과를 다시 1000번지에 저장

 

 

적재 시간(Load-time Binding)

프로세스를 적재할 메모리 위치를 컴파일 과정에서 알지 못한다면 컴파일러는 대체할 수 있는 상대적 주소를 생성한다. 상대 주소는 프로그램의 시작 주소가 0으로 생성되기에 최종 바인딩을 적재 시간까지 연기한다. 만약, 시작 주소가 변화하게 되면 변화된 값을 반영하기 위해 처음부터 사용자 코드를 재적재한다(정적 대치).

• 프로그램이 메모리에 적재되는 시점에 논리적 주소가 물리적 주소로 바인딩된다.
• 실행 파일은 재배치 가능한 형태(Relocatable)로 작성된다.
• 로더(Loader)가 적재 시 물리적 주소를 할당한다.
• 바인딩이 한번 이루어지면 주소가 실행 중에 변화하지 않지만 적재 시간에 메모리 위치가 할당되기에 컴파일 시간 바인딩에 비해 메모리 활용이 유연해진다.

; 프로그램이 적재된 기준 주소(BASE)를 사용하여 계산
MOV AX, [BASE + 100H] ; BASE는 적재 시 결정됨
ADD AX, 10           ; 데이터를 10만큼 증가
MOV [BASE + 100H], AX ; 결과를 다시 저장

 

실행 시간(Run-time Binding)

프로그램(프로세스)이 동일한 장소에서 작동한다면 적재 시간에 바인딩할 수 있다. 그러나 프로세스를 실행하는 도중에 메모리의 한 세그먼트에서 다른 세그먼트로 이동한다면 바인딩은 실행 시간까지 지연될 수 있다. 현재 범용 운영체제에서 사용하는 바인딩 방식이다.

• 프로그램이 실행되는 동안 논리적 주소가 물리적 주소에 바인딩된다.
• CPU가 명령어를 실행할 때마다 MMU가 논리적 주소를 물리적 주소로 변환한다.
• 프로그램이 실행 중에도 메모리 위치를 동적으로 변화시킬 수 있다.

; 논리적 주소를 사용하며, MMU가 실행 중 변환
MOV AX, [VIRTUAL_ADDR] ; 논리적 주소 VIRTUAL_ADDR 사용
ADD AX, 10            ; 데이터를 10만큼 증가
MOV [VIRTUAL_ADDR], AX ; 결과를 다시 저장

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컴파일러가 코드를 컴파일하여 오브젝트 파일을 생성하면 링커가 오브젝트 파일들과 라이브러리 파일을 결합한다. 이후에 로더가 지정된 위치부터 메모리에 프로그램을 배치한다. 구체적인 과정은 "디버깅 심볼을 활용한 소스코드의 기계어 변환 과정"에서 다룬적이 있다.

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Reference

• Harvey M. Deitel, Paul J. Deitel, and David R. Choffnes, Operating Systems, 3rd ed., Pearson, 2003.
• Hyun-Hoe Koo, Operating System: Principles and Structure Illustrated, 1st ed., Hanbit Academy, 2016. (7th printing, 2022).