토픽 42 / 85·메모리 관리

MMU (Memory Management Unit)

CPU와 메모리 사이에서 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 하드웨어 장치로, 페이지 테이블을 참조하고 TLB를 활용하여 주소 변환을 수행하며 메모리 보호 기능 제공

목적: 가상 주소 변환, 메모리 보호, 페이지 테이블 관리, 가상 메모리 지원

특징: 하드웨어 장치, CPU 내장 또는 독립, TLB 포함, 페이지 테이블 워크, 보호 검사

구성요소: TLB(Translation Lookaside Buffer), 페이지 테이블 워커, 메모리 보호 검사, 페이지 폴트 생성

동작 과정: ① CPU가 가상 주소 생성 → ② MMU가 TLB 검색 → ③ TLB Hit: 물리 주소 반환 → ④ TLB Miss: 페이지 테이블 워크 → ⑤ 유효하면 TLB 갱신 및 물리 주소 반환 → ⑥ 무효하면 Page Fault 발생

페이지 테이블 워크: 다단계 페이지 테이블(x86-64는 4단계) 순회, 메모리 접근 여러 번(TLB Miss 시)

메모리 보호: 페이지 테이블의 보호 비트(R/W/X) 검사, 권한 위반 시 Exception 발생

주소 변환: VA(Virtual Address) = VPN(Page Number) + Offset → PA(Physical Address) = PFN(Frame Number) + Offset

장점: 가상 메모리 지원, 프로세스 격리, 메모리 보호, 하드웨어 가속

단점: 하드웨어 비용, TLB Miss 오버헤드, 페이지 테이블 메모리, 복잡도

적용사례: 모든 현대 CPU(x86-64, ARM, RISC-V), 가상 메모리, 페이징, OS 메모리 관리

비교: MMU(하드웨어/빠름) vs 소프트웨어 주소변환(느림/유연) vs 물리주소직접(단순/보호없음)

연관: TLB, 페이징, 가상 메모리, 페이지 테이블, Page Fault