Virtual Memory

용어설명

Pages

가상 페이지라고도 불리는 “페이지”는, 4,096 바이트(페이지 크기)의 길이를 가지는 가상 메모리의 연속된 영역입니다. 페이지는 반드시 페이지에 정렬(page-aligned)되어 있어야 합니다. 즉, 각 페이지는 페이지 크기(4KiB)로 균등하게 나누어지는 가상 주소에서 시작해야 한다는 말입니다. 그러므로 64비트 가상주소의 마지막 12비트는 페이지 오프셋(또는 그냥 “오프셋”)입니다. 후술하겠지만, 상위 비트들은 페이지 테이블의 인덱스를 표시하기 위해 쓰입니다. 64비트 시스템은 4단계 페이지 테이블을 사용하는데, 아래 그림과 같은 가상주소를 만들어줍니다 :

63          48 47            39 38            30 29            21 20         12 11         0
+-------------+----------------+----------------+----------------+-------------+------------+
| Sign Extend |    Page-Map    | Page-Directory | Page-directory |  Page-Table |    Page    |
|             | Level-4 Offset |    Pointer     |     Offset     |   Offset    |   Offset   |
+-------------+----------------+----------------+----------------+-------------+------------+
              |                |                |                |             |            |
              +------- 9 ------+------- 9 ------+------- 9 ------+----- 9 -----+---- 12 ----+
                                          Virtual Address

Frames

물리 프레임 또는 페이지 프레임이라고도 불리는 프레임은, 물리 메모리 상의 연속적인 영역입니다. 페이지와 동일하게, 프레임은 페이지사이즈여야 하고 페이지 크기에 정렬되어 있어야 합니다. 그러므로 64비트 물리주소는 프레임 넘버와 프레임 오프셋(또는 그냥 오프셋)으로 나누어질 수 있습니다. 아래 그림처럼 말입니다 :

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

x86-64 시스템은 물리주소에 있는 메모리에 직접적으로 접근하는 방법을 제공하지 않습니다. Pintos는 커널 가상 메모리를 물리 메모리에 직접 매핑하는 방식을 통해서 이 문제를 해결합니다 - 커널 가상메모리의 첫 페이지는 물리메모리의 첫 프레임에 매핑되어 있고, 두번째 페이지는 두번째 프레임에 매핑되어 있고, 그 이후도 이와 같은 방법으로 매핑되어 있습니다. 그러므로 커널 가상메모리를 통하면 프레임들에 접근할 수 있습니다.

Page Tables

페이지 테이블은 CPU가 가상주소를 물리주소로, 즉 페이지를 프레임으로 변환하기 위해 사용하는 자료구조입니다. 페이지 테이블 포맷은 x86-64 아키텍쳐에 의해 결정되었습니다. Pintos는 threads/mmu.c안에 페이지 테이블을 관리하는 코드를 제공합니다.

아래 도표는 페이지와 프레임 사이의 관계를 나타냅니다. 왼쪽에 보이는 가상주소는 페이지 넘버와 오프셋을 포함하고 있습니다. 페이지 테이블은 페이지 넘버를 프레임 넘버로 변환하며, 프레임 넘버는 오른쪽에 보이는 것처럼 물리주소를 획득하기 위한 미수정된 오프셋과 결합되어 있습니다.

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

Swap Slots

스왑 슬롯은 스왑 파티션 내의 디스크 공간에 있는 페이지 크기의 영역입니다. 하드웨어적 제한들로 인해 배치가 강제되는 것(정렬)이 프레임에서보단 슬롯에서 더 유연한 편이지만, 정렬한다고 해서 별다른 부정적인 영향이 생기는 건 아니기 때문에 스왑 슬롯은 페이지 크기에 정렬하는 것이 좋습니다.