xv6 と JOS のページング
前回 から引き続き xv6 と JOS を触っています。 ここではそれぞれの仮想アドレス空間と fork 時のページテーブル作成についてまとめています。 大まかには似ているのですが、違うところもあるので太字で強調しています。
xv6 のアドレス空間
(画像は xv6 book の Figure 2-2 からの引用)
- KERNBASE (0x80000000) より上をカーネル用の領域にしている
- どのプロセスもカーネル領域のマッピング (図中青色の領域) を共通に持つ
- カーネル領域では仮想アドレスから KERNBASE を引くことで物理アドレスを得られる
- マクロで表すと V2P が仮想アドレスから物理アドレスへの変換、P2V が逆
#define V2P(a) (((uint) (a)) - KERNBASE)
#define P2V(a) ((void *)(((char *) (a)) + KERNBASE))
- マッピングの図からわかるように xv6 のメモリ管理では 2 GB 以上の物理メモリを認識できない
xv6 の fork 時のページテーブル用意
- fork 処理は
proc.cのfork関数で実装されている- fork はカーネルによる処理
- ページテーブルに関連する処理は
vm.cのcopyuvm関数で行われる- まず
setupkvm関数でカーネルアドレス空間のマッピングを用意 - その後ユーザアドレス空間のメモリを親プロセスからコピー
- JOS とは違い copy-on-write ではない
- まず
pde_t*
copyuvm(pde_t *pgdir, uint sz)
{
pde_t *d;
pte_t *pte;
uint pa, i, flags;
char *mem;
if((d = setupkvm()) == 0)
return 0;
for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
if((pte = walkpgdir(pgdir, (void *) i, 0)) == 0)
panic("copyuvm: pte should exist");
if(!(*pte & PTE_P))
panic("copyuvm: page not present");
pa = PTE_ADDR(*pte);
flags = PTE_FLAGS(*pte);
if((mem = kalloc()) == 0)
goto bad;
memmove(mem, (char*)P2V(pa), PGSIZE);
if(mappages(d, (void*)i, PGSIZE, V2P(mem), flags) < 0) {
kfree(mem);
goto bad;
}
}
return d;
bad:
freevm(d);
return 0;
}
- カーネル内での処理なので PTE (page table entry) から読み出した物理アドレスを (カーネル領域内にマッピングされた) 仮想アドレスに変換してアクセス… といったことができる
JOS のアドレス空間
- JOS の仮想アドレス空間レイアウトは
inc/memlayout.hに存在する
/*
* Virtual memory map: Permissions
* kernel/user
*
* 4 Gig --------> +------------------------------+
* | | RW/--
* ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* : . :
* : . :
* : . :
* |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~| RW/--
* | | RW/--
* | Remapped Physical Memory | RW/--
* | | RW/--
* KERNBASE, ----> +------------------------------+ 0xf0000000 --+
* KSTACKTOP | CPU0's Kernel Stack | RW/-- KSTKSIZE |
* | - - - - - - - - - - - - - - -| |
* | Invalid Memory (*) | --/-- KSTKGAP |
* +------------------------------+ |
* | CPU1's Kernel Stack | RW/-- KSTKSIZE |
* | - - - - - - - - - - - - - - -| PTSIZE
* | Invalid Memory (*) | --/-- KSTKGAP |
* +------------------------------+ |
* : . : |
* : . : |
* MMIOLIM ------> +------------------------------+ 0xefc00000 --+
* | Memory-mapped I/O | RW/-- PTSIZE
* ULIM, MMIOBASE --> +------------------------------+ 0xef800000
* | Cur. Page Table (User R-) | R-/R- PTSIZE
* UVPT ----> +------------------------------+ 0xef400000
* | RO PAGES | R-/R- PTSIZE
* UPAGES ----> +------------------------------+ 0xef000000
* | RO ENVS | R-/R- PTSIZE
* UTOP,UENVS ------> +------------------------------+ 0xeec00000
* UXSTACKTOP -/ | User Exception Stack | RW/RW PGSIZE
* +------------------------------+ 0xeebff000
* | Empty Memory (*) | --/-- PGSIZE
* USTACKTOP ---> +------------------------------+ 0xeebfe000
* | Normal User Stack | RW/RW PGSIZE
* +------------------------------+ 0xeebfd000
* | |
* | |
* ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
* . .
* . .
* . .
* |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|
* | Program Data & Heap |
* UTEXT --------> +------------------------------+ 0x00800000
* PFTEMP -------> | Empty Memory (*) | PTSIZE
* | |
* UTEMP --------> +------------------------------+ 0x00400000 --+
* | Empty Memory (*) | |
* | - - - - - - - - - - - - - - -| |
* | User STAB Data (optional) | PTSIZE
* USTABDATA ----> +------------------------------+ 0x00200000 |
* | Empty Memory (*) | |
* 0 ------------> +------------------------------+ --+
*
*/
- xv6 と同様 KERNBASE (0xf0000000) より上をカーネル用の領域にしている
- ただしそのアドレスは違う
JOS の fork 時のページテーブル用意
- xv6 とは違い fork がユーザにライブラリとして提供されている
- カーネルをシンプルにできる
- fork 処理内容をユーザが自分で選択、実装できる
- ユーザプロセス空間でページテーブルを作成するために UVPT というマッピングが用意されている (後述)
- xv6 とは違い copy-on-write
UVPT
- 子プロセスのページテーブルを用意する際に問題となるのは親のページテーブル内容をどう確認するか
- ページテーブルはカーネルで管理されているのでアクセスできない
- そのために UVPT というマッピングを予めカーネルは用意しておく
- UVPT についての公式な説明は こちら にある
// at env_setup_vm in kern/env.c
//
// UVPT maps the env's own page table read-only.
// Permissions: kernel R, user R
//
// PDX(addr) で仮想アドレス addr を解決するための PDE の index がわかる
// PADDR(addr) でカーネル空間を指す仮想アドレス addr の物理アドレスがわかる
// e->env_pgdir は作成中のプロセスのページディレクトリの仮想アドレス
e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(e->env_pgdir) | PTE_P | PTE_U;
- CPU によるページテーブルを使用した仮想アドレスの解決
- CR3 レジスタから page directory table の物理アドレスを得る
- 上位 10 bit を page directory table のエントリ解決に使用、page table の物理アドレスを得る
- 次の 10 bit を page table のエントリ解決に使用、page の物理アドレスを得る
- 残りの 12 bit で page 内の offset を指定、データにアクセス
- UVPT は「自分自身を参照する PDE」
- page directory table や page table 自体にアクセスするために使用できる
- 例えば 1023 番目の page table にアクセスしたい場合、
0xef7ff000 + offsetの仮想アドレスを使用する
- 例えば page directory table にアクセスしたい場合、
0xef7bd000 + offsetの仮想アドレスを使用する
