PINTOS - Memory Terminology

Source Files

📂vm/ : 거의 비어있는 디렉토리. project 3에서 여기에 가상 메모리를 구현

📂 include/vm/vm.h, vm/vm.c : 가상 메모리의 기본적인 인터페이스 제공

• 가상 메모리 타입 : -- VM_UNINIT, VM_ANON, VM_FILE, VM_PAGE_CACHE -- 의 정의와 설명

📂 include/vm/uninit.h, vm/uninit.c : 초기화 되지 않은 페이지들을 위한 기능 제공 (vm_type = VM_UNINIT)

• 모든 페이지가 초기화되지 않은 페이지로 설정되고, 이후 anonymous page나 file-backed page로 변환

📂 include/vm/anon.h, vm/anon.c : anonymous page를 위한 기능을 제공 (vm_type =VM_ANON)
한 메모리 검사 기능 포함

📂 include/vm/file.h, vm/file.c : file-backed page를 위한 기능을 제공합니다 (vm_type = VM_FILE)

📂 include/vm/inspect.h, vm/inspect.c: 채점을 위한 메모리 검사 기능 포함 (수정X)

📂 include/lib/kernel/ : Pintos 커널에만 포함된 C 라이브러리의 일부

• bitmaps, doubly linked lists, hash tables 같은 자료형이 구현
• 커널에서 자유롭게 사용 가능 : #include <...> 표기법 사용

📂 include/devices/disk.h, devices/disk.c : 블록 디바이스로의 섹터 기반 읽기/쓰기를 제공

• 이 인터페이스는 블록 디바이스로 스왑 파티션에 접근할 때 사용

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Memory Terminology

Pages , 가상페이지

4,096 바이트(페이지 크기)의 길이를 가지는 가상 메모리의 연속된 영역

• 페이지는 반드시 페이지에 정렬(page-aligned)되어 있어야 한다.
• 각 페이지는 페이지 크기(4KiB)로 균등하게 나누어지는 가상 주소에서 시작
• 페이지 오프셋(=오프셋) : 64비트 가상주소의 마지막 12비트
• 상위 비트들은 페이지 테이블의 인덱스를 표시하기 위해 쓰임
• 64비트 시스템은 4단계 페이지 테이블을 사용

• 커널(가상)페이지 집합은 전역적이며, 어떤 쓰레드나 프로세스가 실행되고 있든 간에 항상 같은 위치에 남아 있음

• 각 프로세스는 KERN_BASE (0x8004000000) 미만의 가상주소값을 가지는 독립적인 유저(가상)페이지 집합을 가짐

• 커널 : 유저 페이지, 커널 페이지 모두에 접근 가능

• 유저 프로세스 : 본인의 유저 페이지에만 접근 가능

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Frames , 물리(페이지) 프레임

물리 메모리 상의 연속적인 영역

• 프레임 사이즈 = 페이지사이즈
• 프레임의 시작 주소는 페이지 크기의 배수로 정렬

                          12 11         0
    +-----------------------+-----------+
    |      Frame Number     |   Offset  |
    +-----------------------+-----------+
              Physical Address

• 64비트 물리주소는 프레임 넘버와 프레임 오프셋(또는 그냥 오프셋)으로 나뉨

• x86-64 시스템 - Pintos
  : 커널 가상메모리를 물리메모리에 직접 매핑 하는 방식을 통해서 물리주소 에 있는 메모리에 직접적 접근

• 커널 가상메모리를 통하면 프레임들에 접근 가능

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Page Tables

CPU가 가상주소를 물리주소로, 즉 페이지를 프레임으로 변환하기 위해 사용하는 자료구조

• 페이지 테이블 포맷은 x86-64 아키텍쳐에 의해 결정
  • Pintos는 threads/mmu.c안에 페이지 테이블을 관리하는 코드 제공

                           +----------+
          .--------------->|Page Table|-----------.
         /                 +----------+           |
        |   12 11 0                               V  12 11 0
    +---------+----+                         +---------+----+
    | Page Nr | Ofs|                         |Frame Nr | Ofs|
    +---------+----+                         +---------+----+
     Virt Addr   |                            Phys Addr    ^
                  \_______________________________________/

• 페이지와 프레임 사이의 관계 나타냄
  1) 가상주소 : 페이지 넘버와 오프셋을 포함
  2) 페이지 테이블 : 페이지 넘버를 프레임 넘버로 변환
  3) 물리주소 : 프레임 넘버는 물리주소를 획득하기 위한 미수정된 오프셋과 결합
  

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Swap Slots

스왑 파티션 내의 디스크 공간에 있는 페이지 크기의 영역

• 하드웨어적 제한들로 인해 배치가 강제되는 것(정렬)이 프레임에서보단 슬롯에서 더 유연
• 스왑 슬롯은 페이지 크기에 정렬하는 것 권장

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Resource Management Overview

세 가지의 완전히 별개의 자료구조를 구현하는 것이 필수 아니다.
서로 연관된 자원들을 통합된 자료구조로 전부, 또는 부분적으로 합치는 것 이 더 편리할 수 있다.

• 각 자료구조에서 각각의 원소가 어떤 정보를 담을지 를 정하기
• 자료구조의 범위 를 지역(프로세스별)으로 할지, 전역(전체 시스템에 적용)으로 할지도 정하기
• 해당 범위에 필요한 인스턴스의 수 도 결정

설계 단순화를 위해, non-pageable 메모리 (calloc 이나 malloc 에 의해 할당된)에 이러한 자료구조들 저장 가능
= 자료구조들 사이의 포인터가 유효한 상태로 유지될거란 사실을 보장할 수 있다

• Supplemental page table, 보조 페이지 테이블

  • 페이지 테이블을 보조해서, 페이지 폴트 핸들링이 가능하도록 해줌

• Frame table , 프레임 테이블

  • 물리 프레임의 eviction policy(“쫓아내기 정책”)를 효율적으로 구현하도록 해줌

• Swap table , 스왑 테이블

  • 스왑 슬롯이 사용되는 것을 추적

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• Page-Map-Level-4 Offset은 PML4 테이블의 Entry를 가리킨다.

• PML4 테이블은 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하기 위한 페이지 테이블 계층 구조의 가장 상위 레벨로서
  그 안에는 여러개의 PML4 Entry 가 존재한다.

• PML4 Entry 에는 페이지 디렉토리 포인터(PDP), 플래그 및 제어 정보, 기타 메타데이터가 있다.
  또한 다음 레벨의 페이지 테이블로 이어지도록 하여, 최종적으로 가상 주소를 물리 주소로 변환한다.