/usr/lib/libsora.so

Memory Addressing

2014년 2학기 시스템 프로그래밍 시험 공부

시스템 프로그래밍 시험 공부하면서 정리한 내용이다. 내용 갱신은 없을 예정이다.

Memroy Addressing (Intel x86)

  • 논리 주소 (Logical Address)
    • 명령어나 데이터를 참조할때 사용하는 주소
    • 세그먼트 + 오프셋
  • 선형 주소 (Linear Address)
    • 32bit unsigned integer, 4GB
    • 가상 주소 (Virtual Address)
    • 0x00000000 ~ 0xffffffff
  • 물리 주소 (Physical Address)

    • 메모리칩 안의 메모리셀에 접근할때 사용하는 주소
  • 논리 주소 => 세그멘테이션 유닛 => 선형 주소 => 페이징 유닛 => 물리 주소

Segmentation with Paging (Intel x86)

  • 세그멘테이션 : 메모리의 논리 주소
    • 48 bit 논리 주소
    • 16 bit : 세그먼트 셀렉터, segment identifier
      • 13 bit : 인덱스
      • 1 bit : GDT/LDT
      • 2 bit : 권한
    • 32 bit : 오프셋, 세그먼트에서의 상대 주소
  1. Global Descriptor Table (GDT, 또는 LDT)에서 Segment Descriptor 선택
  2. Segment Descriptor를 이용해서 선형 주소공간에서의 Segment 찾기
  3. Segment에서 Offset을 이용해서 선형 주소 얻기
  4. 나머지는 페이지 과정 참고

Segmentation in Linux

  • 리눅스는 세그멘테이션을 매우 제한된 방법으로만 사용
    • 최소한의 접근법
    • 세그멘테이션이 유명하지 않고 복잡하기 때문
  • 리눅스는 세그멘테이션 대신 페이징을 사용
    • 간단한 메모리 관리
      • 모든 프로세스가 같은 세그먼트 레지스터 값을 사용하면 메모리 관리가 간단한다
      • 모든 프로세스가 선형 주소를 공유
    • 이식성
      • 리눅스는 많은 아키텍쳐에서 돌아갈 정도로 이식성이 좋아야한다
      • 일부 RISC는 세그멘테이션을 제한적으로 지원
  • 리눅스는 세그멘테이션을 필요할때만 사용
    • 모든 프로세스는 같은 논리 주소를 사용
    • 따라서 세그먼트의 총 갯수는 제한됨
    • 따라서 모든 세그먼트를 Global Descriptor Table(GDT)에 저장하는 것이 가능
      • LDT는 커널에서 사용하지 않는다
  • 리눅스에서 쓰는 세그먼트
    • 커널모드, 유저모드에 대해 같은 세그먼트 쌍을 이용
    • __KERNEL_CS, __KERNEL_DS, __USER_CS, __USER_DS
  • etc
    • 각각의 프로세서 별로 Task State Segment(TSS) 세그먼트
      • 프로세스를 위해서 hardware context에 저장
    • 기본 LDT 세그먼트는 모든 프로세스에서 공유

Paging in Hardware (Intel x86)

  • 386 이상부터 지원
  • CR0 레지스터의 PG bit를 설정해서 활성화
  • 2-level 페이지 하드웨어
    • 페이지 디렉토리 : 페이지 테이블의 물리주소 (CR3 레지스터)
    • 페이지 테이블 : 페이지의 물리주소
  • 페이지유닛 (Paging unit)은 선형주소를 물리주소로 바꾼다.
    • 접근 권한 검사 (페이지에 접근할 권한이 있는가?)
    • 실패시 page fault exception 발생시킴
  • 페이지
    • 선형 주소는 고정 크기의 구간으로 그룹화 되어있다.
    • 페이지 안의 연속적인 선형주소는 연속적인 물리주소로 매핑된다.
    • 페이지 프레임 (물리메모리)는 1페이지 크기

Regular Paging (Intel x86)

  • Page Table
    • 선형주소를 물리주소로 매핑하는 자료구조
    • 페이지 크기 : 4KB
  • 선형 주소 : 32 bit
    • 디렉토리 : 10
    • 테이블 : 10
    • 오프셋 : 12 bit (4KB page)
    • 1024 * 1024 * 4096 = 4GB
  • 2-Level 페이징
    • 페이지 디렉토리
    • 페이지 테이블
  • 최대 페이지 테이블 수 : 1025
    • 1 페이지 디렉토리
    • 1024 페이지 테이블
  • 최대 페이지 갯수
    • 2 ** 20

Page Directory and Page Table

  • 테이블 구조
    • 1024개 항목 존재 (4KB, 항목당 4byte)
    • 하나의 페이지 프레임 안에 올라감 (=물리 메모리에서 1페이지 차지)
  • 테이블 엔트리 구조 (32bit)
    • Present : 현재 메모리에 있는가?
    • 20 MSB : 페이지 프레임 물리 주소
    • Accessed : 페이지 유닛이 페이지 프레임에 접근할때마다 설정
      • 스왑될 페이지를 고를때 이용
    • Dirty : 페이지 프레임에 쓰기 발생시 설정
    • Read/Write : 페이지 권한 (read/write or read)
    • User/Supervisor : 접근하는데 필요한 권한 레벨
    • PCD, PWT : 하드웨어 캐시에서 사용
    • Page Sie : 페이지 디렉토리 엔트리에서만 사용
      • 설정하면 페이지 프레임은 4MB로 취급
  • 32 bit의 테이블 엔트리는 MMU(memory management unit) Hardware에 의해서 해석된다.

Extended Paging (Index x86)

  • 펜티엄부터는 4MB 페이지 프레임을 허용
    • 페이지 테이블 조회하는 오버헤드 없다.
    • 크고 아름다운 연속적인 물리구역 사용.
  • 32 bit 선형 주소
    • 디렉토리 : 10
    • 오프셋 : 22 (2**22 = 4MB)
    • 페이지 디렉토리 엔트리의 Page Size가 설정되어 있어야한다.
  • 시스템에 존재하는 페이지 테이블 == 1개의 페이지 디렉토리

Three-Level Paging Hardware

  • 64-bit 아키텍쳐에서 사용
  • 고려 사항
    • 페이지 크기 : 큰 페이지 크기가 합리적인가?
      • 페이지 크기가 커지면 swapping할때 오버헤드 발생. 왜냐하면 스왑은 페이지 단위
    • N-level
      • level가 깊어진다 -> 테이블 접근 부하 -> 성능 낮아짐
  • 예제 : Alpha processor (64 bit)
    • 페이지 프레임 : 8KB, offset = 13bit
    • 43bit로 주소 표현, 최대 8TB
    • 10 + 10 + 10 + 13

Paging in Linux

  • 4-level 페이징 (2.6.11부터)
  • 테이블
    • Page Global Directory
    • Page Upper Directory
    • Page Middle Directory
    • Page Table
    • Page (+ offset)

4-level Page Table

2-Level 페이징 하드웨어에서 4-레벨 페이징을 사용하는 경우는 다음과 같이 처리한다.

  • Page Upper Directory, Page Middle Directory를 제거
    • 두 항목을 0으로 채운다
  • 포인터에서 Page Upper Directory, Page Middle Directory의 위치는 변하지 않는다
    • 따라서 32비트, 64비트에 상관없이 같은 코드를 쓸 수 있다.
  • 커널은 Page Upper Directory, Page Middle Directory의 내부의 엔트리 갯수를 1개로 설정한다. 두개의 엔트리는 적절한 Page Global Direcotry의 엔트리로 매핑된다.

Page Table Handling in Linux

  • 페이지 주소를 얻기 위한 4-레벨의 테이블 접근
    1. Page Global Directory
    2. Page Upper Directory
    3. Page Middle Directory
    4. Page Table
    5. Page
  • 페이지 테이블 관련 자료구조
    • pgd_t, pud_t, pmd_t, pte_t
  • 페이지 테이블 pte_t : include/asm-i386/pgtable.h
    • 각각의 항목 = 32 비트 정수
    • fields : 20비트 주소 + 각종 플래그
  • 페이지 테이블 함수
    • 페이지 테이블 할당/해제
    • pte_*() macro : include/asm-i386/pgtable.h
  • 페이지 디렉토리 함수
    • pgd_*(), pmd_*() macro : include/asm-i386/pgtable.h

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