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시스템 소프트웨어 개발을 위한 Arm 아키텍처의 구조와 원리

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[Arm프로세서] Armv8 - AAPCS 관련 레지스터 Armv8 아키텍처의 AAPCS를 다루기에 앞서 Armv7에서 정의된 AAPCS의 주요 내용을 요약하면 다음과 같습니다.  서브루틴을 호출하면 프로세스의 스택 공간에 레지스터를 푸시한다.  'BL [주소]' 명령어를 실행해 서브루틴으로 분기하면 Arm 코어는 링크 레지스터인 R14에 복귀할 주소를 업데이트한다.  서브루틴을 호출할 때 전달되는 인자는 R0 ~ R3 레지스터에 저장된다.  함수의 리턴값은 R0 레지스터에 저장된다. 위에서 설명한 내용은 Armv8 아키텍처 관점에서 다음과 같이 바꿔서 설명할 수 있습니다.  서브루틴을 호출하면 프로세스의 스택 공간에 레지스터를 푸시한다.  'BL [주소]' 명령어를 실행해 서브루틴으로 분기하면 Arm 코어는 링크 레지스터인 X30에 복귀할 주소를 ..
[Arm프로세서] 알고리즘 지역성 공간 지역성과 시간 지역성을 활용해 캐시 알고리즘을 구성할 수 있다고 소개했습니다. 그런데 데이터 구조나 알고리즘을 사용할 때 메모리에 접근하는 패턴을 관찰하면 시간 지역성이나 공간 지역성을 확인하기 어려운 경우가 있습니다. 예를 들어, 링크드 리스트로 데이터를 관리할 때 메모리에 접근하는 패턴을 관찰하면 특정 위치에 있는 데이터에 다시 접근할 확률이 높지 않아 시간 지역성과 같은 특징을 지니지 않습니다. 또한 링크드 리스트는 배열과 달리 인접한 메모리 주소 공간에 접근하지 않아 공간 지역성에도 맞지 않습니다. 그런데 코드를 유심히 분석하면 프로그램은 함수의 호출과 자료구조로 구성돼 있다는 사실을 알 수 있습니다. 자주 사용하는 자료 구조나 알고리즘은 어느 정도 정해져 있습니다. 예를 들어, 링크드 리스..
[Arm프로세서] 시간 지역성 누군가 평소에 자주 들르는 카페에 다시 갈 가능성이 있을까요? 한 번도 안 간 사람보다 다시 갈 확률이 높을 것입니다. 이와 유사하게 프로그램이 특정 명령어나 특정 변수를 반복적으로 사용하는 패턴을 시간 지역성(temporal locality)이라고 합니다. 프로그램이 실행될 때 특정 명령어나 변수에 자주 접근하면 가까운 미래에 사용할 것을 대비해 사용된 명령어나 데이터를 캐시에 미리 로딩합니다. 앞에서 예시로 든 예제 코드를 보면서 시간 지역성에 대해 알아봅시다. 01 static int arr[10]; 02 int sum = 0; 03 int weight = 10; 04 05 for (i = 0; i
[Arm프로세서] 공간 지역성 자주 가는 카페가 있다면 카페 옆에 있는 다른 가게에 갈 가능성도 있습니다. 이처럼 프로그램이 어떤 데 이터를 사용하면 그 데이터와 인접한 (주소에 있는) 데이터에 접근할 확률이 높습니다. 이 같은 패턴을 공 간 지역성(spatial locality)이라고 합니다. 【정보】 섹션 정보를 활용한 공간 지역성 프로그램을 컴파일하면 컴파일러는 연관된 객체(자료구조)를 특정 메모리 공간(섹션)에 모아두는 경향이 있습니다. 이번에는 다음 예제 코드를 보면서 공간 지역성에 대해 더 자세히 알아봅시다. 01 static int arr[10]; 02 int sum = 0; 03 04 for (i = 0; i
[Arm프로세서] L1 캐시와 L2 캐시란? 이전 절에서는 한 개의 캐시를 기준으로 캐시의 기본 개념을 설명했습니다. Arm 프로세서를 포함한 대부분의 프로세서는 멀티 레벨로 캐시가 구성돼 있습니다. 다음 그림을 보면서 멀티 레벨 캐시에 대해 알아봅시다.  그림 18.2 메모리 계층 구조에서 캐시의 역할  그림의 왼쪽과 오른쪽에 있는 Core는 말 그대로 CPU 코어를 뜻합니다. Core의 아랫부분을 보면 L1I$와 L1D$ 캐시가 보입니다. 여기서 L1은 레벨 1 캐시(레벨 원으로 발음)라고 하며 L1I$는 L1 명령어(Instruction) 캐시, L1D$는 L1 데이터(Data) 캐시를 뜻합니다. 위와 같이 Arm 프로세서를 비롯한 대부분 프로세서는 캐시가 여러 계층으로 구성돼 있습니다. L1(Level 1: 레벨 1 캐시), L2(Level..
[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 제..
[Arm프로세서] MMU를 구성하는 주요 기능 MMU의 주된 역할은 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 일입니다. 그렇다면 MMU는 어떻게 구성돼 있고 어떤 과정으로 가상 주소를 물리 주소로 변환할까요? 다음 그림을 보면서 MMU의 실행 흐름에 대해 알아봅시다. 출처: Learn the architecture - AArch64 memory management https://developer.arm.com/documentation/101811/latest/ 그림 19.6 MMU를 통해 주소가 변환되는 흐름 프로세스가 가상 주소에 접근하면 먼저 MMU에게 주소가 전달됩니다. MMU는 먼저 TLB(Translation Lookaside Buffer)에 해당 주소에 대한 변환 정보가 있는지 확인합니다. 여기서 TLB는 최근에 사용된 주소 변환 정보를 담고 있..
[Arm프로세서] 운영체제 관점에서 메모리 매니지먼트란? 이번에는 다음 그림을 통해 가상 주소와 물리 주소 공간이 어떻게 구성됐는지 알아봅시다. 그리고 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 변환 테이블에 대해서도 배워 봅시다. 그림 19.5 소프트웨어 관점에서 본 가상 주소 공간과 물리 주소 공간 그림의 왼쪽 부분부터 봅시다. 왼쪽 부분은 소프트웨어 관점에서 본 가상 주소 공간을 나타냅니다. 가상 주소에는 각각 영역별로 특정 속성을 지닌 코드와 데이터가 존재합니다. 소프트웨어를 실행하는 주인공인 프로세스는 가상 주소 공간에서 실행됩니다. 프로세스가 가상 주소 공간에서 어떤 명령어를 실행하면 메모리에 위치한 변환 테이블에 접근합니다. 이는 그림의 가운데 부분에 해당됩니다. 변환 테이블에 의해 가상 주소는 물리 주소 공간에 접근합니다. 여기서 가운데 존재하는 '변환 ..

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