MMU (Memory Management Unit)

MMU는 CPU의 Memory 주소를 감쪽같이 속이는 거짓말쟁이에요. MMU는 표현하고 행동해요. CPU가 Memory를 Access할 때 마다 주소를 속인답니다. 주소를 속여서 어떻게 하느냐, Physical Address와 Virtual Address (Logical Address라고도 부르죠)의 Mapping을 자기가 갖고서 장난을 치는 거죠. CPU는 자기가 속았는지도 몰라요~

MMU를 왜 사용하느냐,
MMU를 사용함으로써, 도대체 System에 무슨 이득이 있을까요.

Task 마다 또는 Program마다 똑같은 주소를 사용해도 되게 만들어 주는 거에요. 모든 Task는 0x0~0x3000 번지까지 자리 잡도록 Compile하더라도, MMU를 사용한다면 문제 없답니다. 왜냐! Physical하게는 0x3000~0x5FFF번에 올라와 있는 A Task나, 0x6000~0x8FFF에 올라와 있는 B Task나 MMU가 장난치기만 한다면 0x3000~0x5FFF도 0x0~0x3000처럼, 0x6000~0x8FFF도 0x0~0x3000처럼 장난 칠 수 있다는 말이에요.

또! 두 개의 CS를 사용하는 RAM의 물리적 주소가, 0x00000~0x10000 CS1, 0x20000~0x30000 CS2 이렇게 나뉘어져 있어도, MMU만 잘 사용하면, 0x0000~0x20000 으로 연속적인 것처럼 장난 칠 수 있다는 말이죠.

또 어디다 이용할 수 있느냐! 하면, Physical Address상에서는 쓰고 남은 조각조각 난 Memory들을 한데 모아서 마치 연속적인 Memory처럼 사용할 수도 있지요. Address에 관한 한 MMU를 사용하면 내 멋대로 조작할 수 있어요. 이런데 어울리는 컨셉이 있죠.

뭐 이런건데요, 잘 보시면 Physical Memory의 주소를 마구 다른 주소로 바꿔 버릴 수 있는 거에요.

그러니까, 개념으로만 보면, CPU는 Virtual Address를 발생시키면, MMU가 Physical Memory의 주소로 바꿔줘서 실제 Physical Memory를 Access한다. 뭐 이런 셈인 거죠. 그리고, MMU를 사용해서, Memory 영역의 특성을 조작할 수도 있어요. 특성이라는 게 Cache랑 많이 연관되는데, 그 중에서도 Cache영역과 Non Cache영역, 그리고 쓰기 관련해서는 Write Bufferable과 Non Write Bufferable 영역으로 나눌 수도 있고요. 심지어, 어떤 영역은 Write를 못하게 Readonly 영역으로도 지정할 수 있어요. 오호라, 너무나 편리한 녀석이죠. MMU를 잘 다루려면 또 용어를 잘 알아야 하겠지요. 자, 생각해 보시죠. CPU에게서 받은 Virtual Address를 Physical Memory로 Mapping하려면 뭐가 필요할까요? 한마디로 주소 가지고 장난치려면 뭔가 있어야겠죠.

ⓐ Virtual Address와 Physical Address를 연결해 주는 Table이 있어야겠죠.
ⓑ Table이 존재하는 위치를 알아야겠죠.

ⓐ를 Page Table이라고 부르고요, ⓑ TTB (Translation Table Base Address)라고 해서 MMU의 Register중 하나에 저장되어 있어요. 여기에서 한가지 알아둬야 할 것은 Virtual Address와 Physical Address를 바꿔주는 Table은 외부 Memory에 존재한다는 거죠. (외부 Memory라 함은 느린 외부 Main Memory 일 수도 있고, 빠른 성능을 위해서 MCU 내부에 TCM Memory에 위치시킬 수도 있어요)
여하튼,
① CPU는 Memory의 어딘가를 Access하기 위해서 Virtual Address를 발생해요.
② MMU는 이 Virtual Address를 받아서 Memory의 TTB에서부터 시작해서
존재하는 Page Table을 Access하고요,
③ 찾아간 Page Talbe안에 Physical 주소를 찾아내어 주소 신호를 발생하고,
④ Memory는 해당 Physical 주소안에 Data를 출력해서 CPU에게 전달하는 과정인거죠.
⑤ Data가 CPU에 전달 됨.

오, 간단하네요. 여기에서 한가지 더. 일단 Page Table 크기는 얼마나 될까..?하는 의문이 들고요, Virtual Address는 어떻게 Physical Address로 변환 될까 하는 의문이 드네요. 일단 Virtual Address는 32Bit Address System (Register 크기가 32Bit니까 그래요) 이므로 2^32 = 4GB를 나타낼 수 있는 거에요. 이때! Page Table 역시 4GB를 나타낼 수 있어야겠지요. 이때! Page Table의 한 개 Entry (32Bit)는 1MB씩을 가리킬 수 있고요 - 그림의 한 칸 이라고 보믄 되고요 32Bit 크기에요 - 1MB씩 가리킬 수 있으니까 이런 Entry가 4096개 필요 한 거죠.

4096 * 32Bit = 16KB 가 Page Table의 기본 크기가 되는 거랍니다. 우후후.

그러니까 Virtual Address는 무조건 1MB 단위로 기본 설정이 되어 있고요 이런 걸 Section이라고 불러요. 그런데 무조건 1MB씩만 할당 가능하다면 너무 답답하겠지요. 그래서 더 작은 단위로도 나눌 수 있는 Option이 있는데요. 그걸 64KB나, 4KB 단위로 나눌 수 있다고 해서 Fine, Coarse Page Table이라고 불러요. 자, 1MB 단위로 4096개로 나누어진 Page Table을 Level 1 Page Table이라고 부르고요, 각 32Bit 씩의 단위를 Level 1 Page Table Entry라고 부르죠.

이런 Page Table Entry는 요렇게 4가지 종류를 갖고요. 모두 1MB를 마크하고 있고요. Coarse Page Table과 Fine Page Table은 그 1MB를 더 나눌 수 있게 해주니까, 또 다른 Page Table을 가리키는 거에요. 그런 또 다른 Page Table을 Level 2 Page Table이라고 부르는 거구요. 어렵다. AP니 Domain이니 하는 거는 여기서 일단 Skip하고요. 너무 복잡하니까. Coarse Page Table이나, Fine Page Table이 가리키는 Level 2 Page Table은 어떻게 생겨먹었는지 한번 볼까요?

우후~ Level 2로 넘어 가면 더 작은 Page들에 대한 Page Table Entry가 있을 테죠. 자 이걸 전체적인 그림으로 보면,

자리 10987654321098765432109876543210
값    00000000100100000000110101100010

자, 이건 Section Entry였구요, [11:2]까지의 bit가 뭔가 의미를 가지고 있었죠. 이걸 다시 분석해 보면, AP(Access Permission)는 [11:10] = 11 이네요. 이건 의미가 접근 권한이에요. 11은 ReadWrite라는 뜻이고요, Domain은 [8:5] = 1011이네요. 이건 의미 잠시만요 Cache는 [3] = 0 이니까 Uncached, Write Buffer는 [2] = 0 이니까 Unbufferable 인 거에요.

C:00900000--009FFFFF|A:00900000--009FFFFF|00100000|readwrite |uncached/unbuffered      ⓐ
자, 어때요. 그렇지요?

그럼 두번째 ⓑ를 볼까요?
이것도 Page Table의 내용이 00C00D6A 이었고요,
10987654321098765432109876543210
00000000110000000000110101101010

AP는 [11:10] = 11 이네요. 이건 의미가 접근 권한이에요. 11은 ReadWrite라는 뜻이고요, Domain은 [8:5] = 1011이네요. 이것도 잠시만요.  Cache는 [3] = 1 이니까 Cached Write Buffer는 [2] = 0 인데, Cache를 쓰고 있으니까, Write-through Buffered인 거에요. (만약에 Cache가 1인데, B도 1이면 Write-back buffer에요)

C:00C00000--014FFFFF|A:00C00000--014FFFFF|00100000|readwrite |write-through/buffered   ⓑ

C와 B의 의미는 뭐 이런 식인 게죠.
C B
0 0 : Cache Off, Write Buffer Off
1 0 : Cache On (Write Through), Write Buffer On
1 1 : Cache On (Write Back) Write Buffer On

아. 복잡하다. 글치요? Domain이 하나 남았는데요, Domain은 Total 16개의 Domain으로 정해져 있고요, DACR은 이런 Domain에 관한 값이 예를 들어 00400001라면, 2bit씩 16개의 Domain의 속성을 각각 가리키는 거에요.

DACR이 0x00400001라면, 2bit씩 자르면 되어요. 결국 00/00/00/00/01/00/00/00/00/00/00/00/00/00/00/01 이 binary 값이니까 11번째와 0번째가01값을 갖고요. 01의 의미는 Client에요. (00 : No Access, 01 : Client, 10 : Reserved, 11 : Manager, Master는 무조건 Access가능이에요) 자… 보면은 D0와 D11이 Client이지요? Client 이외의 것들은 모두 no access니까 Access하면 Fault가 나요.

D15 no access  D14 no access  D13 no access  D12 no access
D11 client D10 no access  D9  no access  D8  no access
D7  no access  D6  no access  D5  no access  D4  no access
D3  no access  D2  no access  D1  no access  D0  client

위에서 본 Domain은 4bit로 이루어져 있지요. 그러니까 Entry를 16개의 Domain중 하나의 Domain에 속하게 할 수 있어요. 그 중에 client에 속하게 되면 AP (Access Permission)에 의한 Access권한이 주어지고요 이 경우에는 둘 다 1011이니까 결국 11번째 Domain에 속한다는 의미이고요. 11번째 Domain은 Client이고요. 이 Domain에 대한 access 권한도
System Design하는 Engineer가 잘 정해줘야 해요. 오오, MMU는 Memory에 관한 한 엄청난 일들을 하는군요! 헥헥. 자, 이제 끝난 줄 알았겠지만, 마지막으로 하나 더 할 것이 남아 있어요. TLB라는 건데요. TLB(Translation Look Aside Buffer)는  그 정체가 Cache에요. Entry에 대한 Cache인 거지요.

Virtual Address를 MMU에 입력을 하면 MMU는 일단 느린 Main Memory의 Page Table을 Access 하겠지요. 이러면 또또또 곤란한 거에요. Page Table에 갔다 오는 거 자체가 너무 느리니까 Entry자체도 Cache Memory를 마련해 놓고 거기다가 캐싱을 하는 거죠. 요 Cache Memory가 TLB인 거에요. 그래서 Page Table이 Entry안에 있으면 굳이 Main Memory까지 갔다 오지 않고요, 기냥~ TLB안에 있는 Entry를 가져다 쓰면 훨씬 빠르겠지요.

TLB안에 Entry가 없는 경우에만 Main Memory에 가서 Page Table을 가져오는 일을 하게 되는 거죠
① CPU가 Virtual Address를 발생하면,
② TLB에 Virtual Address Entry가 올라와 있는지 확인하고요,
③ 있으면 곧바로 Memory에 Access해서 Data 가져오고요,
④ 없으면 Memory의 TTB부터 위치해 있는 page table에서 Physical Address구해와서
⑤ 다시 Memory에 Access해서 Data를 가져오는 거죠.

만약에 TLB가 없다면 느려터진 Memory를 2번은 꼭 Access해야 Data를 가져올 수 있는 거죠.

여기에다가, Cache까지 한꺼번에 그려넣으면 좀더 상상하기 편해질 라나요?

뭐.
엄청 긴 얘기가 되어 살짝 미안해 져 버린 저에요.

이렇게 분석을 했지만, 실은 로꾸꺼 Page Table을 만들 수 있어야 해요. 남이 만든 System은 이렇게 분석을 하겠지만 서도, 내가 만드는 System은 내가 꾸며줘야겠지요. 게다가, MMU를 쓰게 되면 이제부터 Memory Map, 특히나 Scatterloading 따위도 무조건 Virtual Address 기준으로 만들어야 한답니다. 쩝.

Commented by highseek at 2009/11/15 16:44

오래전에 배운 거라 좀 가물가물한데.. 깔끔하게 정리하셨군요.

잘 보고 갑니다 :)

Commented by 히언 at 2009/11/15 23:26

아하하~ 괜찮았나요~?
아무쪼록 감사합니다~

Commented by 흑곰 at 2009/11/15 21:01

좋은 내용 감사합니다 +_+)>;

Commented by 히언 at 2009/11/15 23:27

에헤헤~ 이쁘게 봐주시니,
어쩐대요~ 너무 좋아요~ 어흥~

Commented by 레몬향최루탄 at 2009/11/16 10:07

오우 좋은내용이네요 잘보고 가효-

Commented by 히언 at 2009/11/16 20:24

이히힣.

그냥 잘보고 가시면 안되요~ 또 오세요~

Commented by 마늘빵 at 2009/12/11 12:46

오우... 어려운 개념 정말 알기 쉽게 써주셨네요.
자주 와서 봐야겠어요 ㅎㅎ

Commented by kyle at 2009/12/12 10:21

음 ... 제가 사용해본 CPU ( PPC/ ARM ) 등에서는 좀 다른거 같아서요.

Cache Flush 와 Cache Invalidate 는 어찌보면 반대의 개념 입니다.
write back 을 사용하는경우 cache의 내용을 main mem에 반영하는것이 Flush 이고
invalidate의 경우는 해당 cache line을 dirty 하다고 표시한는것 입니다.

예를 들어 DMA unit이 main mem을 직접 access하는경우 main mem은 cache 모르게
change 됩니다. 그런경우 CPU는 해당 mem을 cache 에서 직접 읽는것을 피하기 위해서 invalidate를 통해서
dirty mark를 하게 됩니다.

다시보면 Flush = cache -> main mem 이고 Invalidate = main mem -> cache 입니다.

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