[WEEK10~13]_Pintos_Project3_Virtual Memory

PintOS의 Virtual Memory 정리

Posted Dec 22, 2022

By H-Levi

6 min read

1. Virtual Memory 관련 모르는 용어 정리

용어 정리
- 블록디바이스 (Block Device)
  - 하드디스크나 CD/DVD 등의 장치
  - 블록이나 섹터 등의 정해진 단위로 반환
  - I / O 속도가 빠름
  - 다른 종류로 캐릭터 디바이스가 있다.
- 섹터 (sector)
  - 디스크에서 데이터 한 조각의 단위를 말한다.
- 스왑 파티션 (SWAP)
  - 메모리(RAM)가 초과하였을때 필요

2. 과제 설명서 요약

Introduction
- 무한한 메모리를 빌드하여 제한을 풀기
- 프로젝트 2를 이어서 시작
Background
- Source Files
  - vm 디렉토리에서 작업
  - Makefile은 건들지 말고 바꾸지 말라는 코드는 바꾸지 말것
- include/vm/vm.h, vm/vm.c
  - 가상메모리의 기본적인 인터페이스 제공
  - 헤더파일에서는 가상 메모리 시스템이 지원해야 하는 vm_type 정의
    - VM_UNINIT
    - VM_ANON
    - VM_FILE
  - 보조 페이지 테이블 구현
- include/vm/uninit.h, vm/uninit.c
  - vm_type = VM_UNINIT : 초기화되지 않는 페이지들을 위한 기능 제공
  - 현재 모든 페이지가 초기화 되지 않은 페이지로 설정
  - 이후 anonymous page, file-backed page로 변환
- include/vm/anon.h, vm/anon.c
  - vm_type = VM_ANON : anonymous page 기능 제공
- include/vm/inspect.h, vm/inspect.c
  - 채점을 위한 메모리 검사기능
  - 수정 XXXXXX
- 작업할 파일은 대부분 vm 경로와 이전 프로젝트에 소개된 파일들
- include/devices/block.h, devices/block.c
  - 블록 디바이스로의 섹터기반 읽기/쓰기를 제공
  - 이 인터페이스는 블록 디바이스가 스왑 파티션에서 접근 할 때 사용

Memory Terminology (메모리 용어)

Pages

4,096바이트(byte) = 4키비바이트(KiB)
이 길이를 가지는 가상 메모리의 연속된 영역
페이지에 정렬(page-aligned) = 가상주소의 시작부분이 페이지 크기로 나누어 떨어진다.
- 64bit 가상주소의 마지막 12bit는 페이지 오프셋
상위 bit는 페이지테이블의 인덱스를 표시하기 위해 사용
64bit시스템은 4가지 페이지 테이블 사용

  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

프로세스는 KERN_BASE (0x8004000000) 미만의 가상주소값을 갖는 독립적인 유저(가상)페이지 집합
- ↔ 커널(가상)페이지 집합은 전역적, 어떤 것이 프로세스가 실행 되어도 같은 위치

Frames

물리 프레임 = 페이지 프레임 = 페이지
물리 메모리 상의 연속적인 영역
페이지와 동일한 프레임 페이지 사이즈, 페이지 크기에 정렬
64bit 물리 주소는 프레임 넘버와 프레임 오프셋으로 나누어짐

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

x86-64 시스템은 물리주소에 있는 메모리에 직접 접근방식이 아님
Pintos는 커널 가상 메모리를 물리 메모리에 직접 매핑

Page Tables

페이지를 프레임으로 변환 하기위해 사용하는 자료구조(CPU가 가상주소 → 물리주소)
페이지 테이블 포맷은 x86-64 아키텍쳐에 의해 결정
thread/mmu.c 페이지 테이블 관리 코드 제공

  
  // 페이지 테이블은 페이지 넘버를 프레임 넘버로 변환하며, 
  // 물리주소를 획득하기 위해서 수정되지 않는 오프셋과 결합
                             +----------+
            .--------------->|Page Table|-----------.
           /                 +----------+           |
          |   12 11 0                               V  12 11 0
      +---------+----+                         +---------+----+
      | Page Nr | Ofs|                         |Frame Nr | Ofs|
      +---------+----+                         +---------+----+
       Virt Addr   |                            Phys Addr    ^
                    \_______________________________________/

Swap Slots
- 스왑 파티션 내의 디스크 공간에 있는 페이지 크기의 영역
- 페이지 크기에 정렬하는 것이 좋다.

Resource Management Overview(자원관리 개요)
자료구조들을 설계하고 구현해라
- Supplemental page table(보조 페이지 테이블)
  - 페이지 테이블을 보조하여 페이지 폴트(page fault) 핸들링이 가능 하도록
  - 아래 보조페이지 테이블 관리 부분 참고
- Frame table
  - 물리프레임의 퇴거 정책(eviction policy)을 효율적으로 구현
  - 아래 프레임 테이블 관리 부분 참고
- Swap table
  - 스왑 슬롯이 사용되는 것을 추적
  - 아래참고

Part 1 : Memory Management

Part 2 : Anonymous Page & Lazy Loading

Part 3 : Stack Growth

Part 4 : Memory Mapped Files(File Backed Mapping)

Part 5 : Swap In/Out(작성중)

Development, SW사관학교정글

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