WEEK 08 카이스트 정글 PINTOS WIL(USER PROGRAM)

이번 주는 저번 주만큼 집중이 잘 되지 않았다. 그래서 이번 주 내용이었던 시스템 콜에 대해서 간단히 정리하고 다음 주에 구현하겠지만, userprogram이랑 연관이 큰 pml4에 대해서 공부한 내용을 WIL에 정리하고자 한다.

시스템 콜

1. 시스템 콜이란?

 시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영 체제의 서비스를 요청하는 메커니즘이다. 사용자 모드에서 실행 중인 프로그램이 커널 모드의 기능(직접 컴퓨터 리소스에 접근, 수정 등)에 접근할 수 있게 한다. 사용자 모드에서 컴퓨터 리소스에 커널을 거치지 않고 직접 접근하게 되면 프로그램 복잡도도 증가하고, 유저프로그램이 컴퓨터에 무슨 짓을 할 지도 모르니 보안에도 좋지 않다. OS가 이런 부분을 대신하는 것이다.

 운영 체제는 두가지 모드로 동작하는데, 유저 모드와 커널 모드이다. 컴퓨터 리소스는 커널 모드에서만 접근이 가능해 시스템 콜을 할 경우 cpu가 커널 모드로 바뀌게 된다. 그리고 요청된 시스템 콜을 적절히 수행한 후 결과를 반환한다.

2. 시스템 콜의 종류 : open(), read(), fork(), exec(), mmap(), socket(), sleep()...

3. 시스템 콜의 중요성 : 자원 관리, 추상화(하드웨어 자원의 인터페이스), 보안

4. 시스템 콜의 실행 과정.

1) 사용자 프로그램의 open 호출

2) 사용자 프로그램에서 시스템 콜 호출 시 lib/user/syscall.c 파일의 시스템 콜 인터페이스를 먼저 거침

3) 인자가 하나인 시스템 콜을 처리하는 syscall1함수 호출. int 0x30을 사용하여 소프트웨어 인터럽트 발생

4) eax 레지스터에 시스템 콜 번호, 나머지 인자는 다른 레지스터에 저장하여 커널로 전달

5) syscall_handler가 해당 정보를 통해 실행할 함수(여기서는 sys_open)결정하고 실행 결과 반환

/* lib/user/syscall.c */
int open (const char *file)
{
  return syscall1 (SYS_OPEN, file);
}

/* userprog/syscall.c */
void syscall_handler (struct intr_frame *f)
{
  int syscall_number = f->R.rax;

  switch (syscall_number)
    {
    case SYS_OPEN:
      f->R.rax = sys_open ((const char *) f->R.rdi);
      break;
    /* Other cases for different system calls */
    }
}

/* userprog/syscall.c */
int sys_open (const char *file)
{
  // 실제로 파일을 여는 작업 수행
  // 파일 디스크립터 반환
}

 

PML4

1. 페이지 테이블이란?

 페이지 테이블은 가상 주소와 물리 주소를 매핑한 테이블이다. 이를 통해 각 프로세스에서 필요한 메모리를 가상 주소를 이용해서 실제 물리 주소에 접근할 수 있도록 한다. 가상 메모리 시스템을 사용하는 이유는 다음과 같다.

1) 각 프로세스간 주소 공간 분리

- 각 프로세스는 고유의 가상 주소 공간을 가져 마치 하나의 컴퓨터에 자신만 있는 것처럼 착각한다. 실제 물리 메모리에 메모리가 어떻게 저장되든, 프로세스 입장에서는 가상 주소 공간에 저장 및 삭제를 마음대로 할 수 있다. 이를 통해 각 프로세스간 분리를 할 수 있고, 프로그램 입장에서 주소 공간을 편하게 사용할 수 있다.

2) 물리 메모리 용량 한계 극복

- 가상 주소를 사용하면 이론적으로는 2**64까지의 물리 주소를 사용할 수 있다. 실제 우리가 사용하는 RAM이 16기가,32기가 정도인 것을 감안하면 매우 큰 공간이다. 물론 어딘가에 실제로 저장되어 있어야해서 하드디스크의 스왑공간까지가 한계지만 16기가 램을 이용해서 몇 백 테라의 프로그램을 돌릴 수가 있다는 것이다. 

3) 컴퓨터 보호

- 프로그램이 직접적인 물리 주소에 접근하지 못하도록 함으로써 프로그램은 각 정보가 어디에 저장되어 있는지 알 수 없다.

2. pml4

 페이지 테이블은 계층화 되어 있다. 보통 4kb의 페이지를 사용하는데 쓰레드에 자신의 pml4테이블의 위치 정보를 저장한다. 가상주소는 각 계층별 테이블에서 접근할 인덱스고 해당 인덱스에는 참고할 물리 주소가 들어있다. 마지막 pt에 실제 접근할 물리주소가 있고, 해당 물리주소와 가상주소의 VPO를 결합하면 실제 물리주소를 접근해서 데이터를 가져올 수 있다.

static uint64_t *
pgdir_walk (uint64_t *pdp, const uint64_t va, int create) {
	int idx = PDX (va);
	if (pdp) {
		uint64_t *pte = (uint64_t *) pdp[idx];
		if (!((uint64_t) pte & PTE_P)) {
			if (create) {
				uint64_t *new_page = palloc_get_page (PAL_ZERO);
				if (new_page)
					pdp[idx] = vtop (new_page) | PTE_U | PTE_W | PTE_P;
				else
					return NULL;
			} else
				return NULL;
		}
		return (uint64_t *) ptov (PTE_ADDR (pdp[idx]) + 8 * PTX (va));
	}
	return NULL;
}

static uint64_t *
pdpe_walk (uint64_t *pdpe, const uint64_t va, int create) {
	uint64_t *pte = NULL;
	int idx = PDPE (va);
	int allocated = 0;
	if (pdpe) {
		uint64_t *pde = (uint64_t *) pdpe[idx];
		if (!((uint64_t) pde & PTE_P)) {
			if (create) {
				uint64_t *new_page = palloc_get_page (PAL_ZERO);
				if (new_page) {
					pdpe[idx] = vtop (new_page) | PTE_U | PTE_W | PTE_P;
					allocated = 1;
				} else
					return NULL;
			} else
				return NULL;
		}
		pte = pgdir_walk (ptov (PTE_ADDR (pdpe[idx])), va, create);
	}
	if (pte == NULL && allocated) {
		palloc_free_page ((void *) ptov (PTE_ADDR (pdpe[idx])));
		pdpe[idx] = 0;
	}
	return pte;
}

/* Returns the address of the page table entry for virtual
 * address VADDR in page map level 4, pml4.
 * If PML4E does not have a page table for VADDR, behavior depends
 * on CREATE.  If CREATE is true, then a new page table is
 * created and a pointer into it is returned.  Otherwise, a null
 * pointer is returned. */
uint64_t *
pml4e_walk (uint64_t *pml4e, const uint64_t va, int create) {
	uint64_t *pte = NULL;
	int idx = PML4 (va);
	int allocated = 0;
	if (pml4e) {
		uint64_t *pdpe = (uint64_t *) pml4e[idx];
		if (!((uint64_t) pdpe & PTE_P)) {
			if (create) {
				uint64_t *new_page = palloc_get_page (PAL_ZERO);
				if (new_page) {
					pml4e[idx] = vtop (new_page) | PTE_U | PTE_W | PTE_P;
					allocated = 1;
				} else
					return NULL;
			} else
				return NULL;
		}
		pte = pdpe_walk (ptov (PTE_ADDR (pml4e[idx])), va, create);
	}
	if (pte == NULL && allocated) {
		palloc_free_page ((void *) ptov (PTE_ADDR (pml4e[idx])));
		pml4e[idx] = 0;
	}
	return pte;
}

/* Creates a new page map level 4 (pml4) has mappings for kernel
 * virtual addresses, but none for user virtual addresses.
 * Returns the new page directory, or a null pointer if memory
 * allocation fails. */
uint64_t *
pml4_create (void) {
	uint64_t *pml4 = palloc_get_page (0);
	if (pml4)
		memcpy (pml4, base_pml4, PGSIZE);
	return pml4;
}

위 코드는 pml4가 생성되고 가상주소가 들어입력되었을 때 pte의 가상주소를 타고들어가면서 찾아들어가는 코드이다. 해당 가상주소에 들어있는 물리주소에서 데이터를 꺼내올 수도 있고, 해당 가상주소에 물리주소를 기록해둘 수 있다. 그리고 물리주소의 마지막 12비트의 경우 페이지단위로 저장되기 때문에 사용되지 않는데, 이것을 이용해 dirty, 읽기 쓰기 권한 같은 정보들을 기록해둔다. 실제로 물리주소를 찾아들어갈 때는 가상주소의 마지막 12비트를 이용해서 offset을 찾는다.