[Arm프로세서] MMU에서 주소를 변환하는 과정

MMU에서 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 구조를 알아봤으니 변환 테이블의 내부 구조와 가상 주소가 물리 주소로 변환되는 실행 흐름을 알아봅시다.

페이지 테이블 엔트리

변환 테이블을 통해 가상 주소를 물리 주소로 변환하려면 먼저 가상 주소의 형식을 알아야 합니다. 가상 주소 영역을 일정한 크기의 블록으로 나눌 수 있는데, 여기서 한 개의 테이블 엔트리는 한 개의 블록에 해당됩니다.

 

그림 19.7 가상 주소가 변환 테이블을 통해 물리 주소로 변환되는 흐름

각각의 엔트리는 물리 메모리에서 해당되는 블록 주소와 물리 주소에 접근할 때 사용할 속성으로 구성돼 있습니다.

변환 테이블은 일종의 엔트리 블록으로 구성돼 있습니다. 변환 테이블에 있는 엔트리 0은 블록 0, 엔트리 1는 블록 1에 대한 매핑 정보를 제공합니다. 또한 각각 엔트리는 물리 주소의 블록에 해당되는 주소와 속성 정보를 담고 있습니다.

페이지 테이블 룩업

테이블 룩업은 변환 작업이 진행될 때 실행됩니다. 운영체제의 프로세스가 주소에 접근하면 주소 변환이 실행됩니다. 이때 가상 주소는 다음 다이어그램과 같이 두 가지 부분으로 나뉩니다.

 

그림 19.8 가상 주소의 구조와 페이지 룩업이 진행되는 흐름

위 다이어그램은 싱글 페이지 룩업 동작을 나타냅니다. ①에서 '엔트리'로 명시된 상위 비트는 찾을 블록 엔트리를 알려주는데, 테이블에 접근하는 인덱스로 활용됩니다. 변환 테이블을 구성하는 각각 엔트리 블록은 가상 주소에 대한 물리 주소의 베이스 주소를 담고 있습니다. 

그림을 통해 전체 구조를 확인했으니 주소가 변환되는 과정을 알아봅시다. 위 그림에서 ①로 표시된 부분은 CPU가 가상 주소를 실행하는 동작을 나타냅니다. CPU에서 실행되는 프로세스 입장에서 바라보는 주소는 가상 주소입니다. 이번에는 화살표와 함께 ②로 표시된 부분은 가상 주소의 베이스 주소를 바탕으로 주소 변환 정보를 담고 있는 페이지 테이블에 접근하는 동작입니다. 페이지 테이블의 시작 주소를 나타내는 TTBR1_EL1 레지스터를 통해 페이지 테이블의 베이스 주소를 참고해 변환 정보가 담긴 페이지 테이블 엔트리의 주소를 찾습니다. 그림의 ③은 페이지 테이블 엔트리 레코드를 읽어서 물리 주소로 변환하는 동작을 나타냅니다. 물리 주소에서 보이는 베이스는 페이지 테이블 엔트리에 있는 주소 정보입니다. ①에서 보이는 '오프셋'으로 명시된 하위 비트는 블록 내부의 오프셋을 나타내며, 변환 과정에서 변경되지 않습니다.

멀티 레벨 페이지 변환

이제까지 한 개의 주소 변환 테이블을 통해 주소가 변환되는 과정을 알아봤습니다. 한 개의 변환 테이블을 통해 한 번에 주소가 변환되므로 이를 싱글 룩업이라고 합니다. 그런데 Aarch64에서는 다수의 변환 페이지 테이블을 사용해 주소 변환 작업이 수행될 수 있는데, 이를 멀티 레벨 페이지 룩업을 통해 가상 주소가 물리 주소로 변환된다고 할 수 있습니다. 

이어서 다음 그림을 보면서 멀티 레벨 페이지 룩업의 실행 흐름을 알아봅시다.
 
출처: Learn the architecture - AArch64 memory management https://developer.arm.com/documentation/101811/latest/

그림 19.9 가상 주소가 멀티 레벨 변환 페이지를 통해 변환되는 과정

ARMv8-A 아키텍처에서 지원하는 최대 페이지 변환 레벨은 4개이며, 실제 레벨의 범위는 0 ~ 3 사이입니다. 멀티 레벨로 구성된 페이지 테이블을 구성하면 큰 사이즈의 블록과 작은 사이즈의 블록을 모두 활용할 수 있습니다. 멀티 레벨 변환 테이블을 구성하는 블록의 특징은 다음과 같습니다.

 큰 블록은 작은 블록보다 페이지 룩업에 걸리는 연산이 더 적습니다.(추가로 큰 블록들은 TLB에 더 효율적으로 캐싱됩니다.)
 작은 블록들은 TLB에서 캐싱할 때 비효율적입니다. 캐싱이 비효율적인 이유는 작은 블록들이 주소를 변환하는 과정에서 메모리에 더 자주 액세스해 데이터 읽기를 시도하기 때문입니다.

[정보] 큰 크기 블록과 작은 크기 블록을 사용할 때의 트레이드오프
큰 사이즈의 블록과 작은 사이즈의 블록으로 구성된 멀티 변환 테이블을 사용해 가상 주소를 변환할 때 트레이드오프가 있습니다. 이는 멀티 레벨 캐시와 비슷한 개념으로 볼 수 있습니다. L1 캐시의 가장 중요한 성능 지표는 캐시 라인을 읽어 오는 속도이고 L2 캐시의 가장 중요한 성능 지표는 캐시 히트 비율입니다. 따라서 큰 사이즈 블록과 작은 사이즈의 블록을 적절히 활용해 멀티 레벨 테이블을 구성할 필요가 있습니다.

 

 

Documentation – Arm Developer