원래라면 하나의 글을 따로 파서 내용을 적으려 했겠지만, 너무 귀찮기도 하고 그런 허울이 목표 달성에 방해가 되는 거 같아서 의도적으로 좀 힘을 덜 들이고 글을 써 보려고 한다.

최근 운영체제 공부를 하고 있다. 그냥 수업처럼 하면 너무 재미가 없을 거 같아 직접 구현 해 보는 식으로 갈피를 잡았다. 구할 수 있는 구현 관련 서적이 이 책 밖에 없어서 해당 책을 따라가되, 설명이 부족한 내용을 보충하고 Rust로 코딩하기로 결정했다. Rust로 구현하기로 결정한 이유는 딱히 없고 그냥 하면 재미있을 거 같아서 친구와 상의 끝에 결정했다.

챕터별로 배운 내용들을 잘 적어보려고 하는데, 초반 지나고 나서부터 개발 관련된 이야기가 왕창 나오지 않을까 생각한다. 초반에는 일단 책에 있는 내용을 적절히 잘 정리하는 걸로.

이 책에서는 인텔 x86-64를 기준으로 하기도 하고, 내 노트북도 인텔 프로세서를 사용하기 때문에 그냥 그대로 보기로 했다.

---

인텔 64비트 프로세서에는 크게 5가지의 운영 모드가 있으며, 각 모드는 인터럽트와 컨트롤 레지스터를 이용해 전환이 가능하다. 이 중 OS 구현 시 꼭 필요한 운영 모드는 3가지이다.

• 리얼 모드: 프로세서의 초기 상태로 16비트 모드. 8086과 호환. BIOS의 기능을 사용할 수 있음.
• 보호 모드: 32비트 모드. 세그먼트, 페이징, 보호, 멀티태스킹 등을 프로세서 단위에서 지원함
• IA-32e 모드: 16EB의 주소 공간을 지원하는 모드. AMD에서는 Long Mode로 부른다.

리얼 모드와 보호 모드, 보호 모드와 IA-32e 모드 사이는 레지스터를 이용해서 전환이 가능하다. 하지만 IA-32e 모드에서 리얼 모드로 바로 가기 위해서는 리셋이 필요하다.

⛰ 운영 모드와 레지스터

OS 개발에 필요한 레지스터는 범용 레지스터, 세그먼트 레지스터, 컨트롤 레지스터 가 있다.

범용 레지스터

메모리 주소의 지정이나 임시 저장 공간 등의 목적으로 사용한다. x86에는 8개, x86-64에는 16개가 있음. 범용 레지스터에는 개별적인 이름이 있는데, 이 이름을 통해 각 레지스터의 특수 용도를 알 수 있음. 64비트에는 앞에 R, 32비트에는 앞에 E 혹은 뒤에 D, 16비트에는 뒤에 W가 붙는다.

• AX: 누산기
• BX: 데이터 어드레스를 지정할 때, 데이터 포인터로 사용
• CX: 루프 또는 문자열의 카운터로 사용
• DX: I/O 어드레스를 지정할 때나 산술 연산을 수행할 때 보조 레지스터로 사용
• SI: 문자열 관련된 작업을 수행할 때 원본 문자열의 인덱스로 사용
• DI: 문자열 관련된 작업을 수행할 때 목적지 문자열의 인덱스로 사용
• SP: 스택의 포인터
• BP: 스택의 데이터에 접근할 때 데이터의 포인터
• R8~15: x86-64에 추가되었고, 다양한 목적으로 이용됨

리얼 모드에서 32비트 레지스터에 접근할 수 없는 걱ㄴ 아니지만, 보호모드 전환과 같은 특수 상황에서만 사용할 수 있음. 고로 그냥 16비트만 가능하다 봐도 무방.

또, IA-32e 모드에서 볼 수 있는 특수한 상황이 있는데, 어드레스 크기가 $2^{64}$ 임에도 오퍼랜드 크기가 32비트라 어드레스 전체를 이동하지 못하는 문제가 있다. 이를 두가지 방법으로 해결했는데

1. RIP 상대 주소라는 개념을 도입해서, 현재 주소에서 $\pm 2\ \text{GiB}$ 까지를 RIP 상대 주소로 지정한다.
2. JMP 명령어의 오퍼랜드만 64비트로 받을 수 있도록 예외를 설정했다.

세그먼트 레지스터

16비트의 레지스터로, 어드레스 영역을 다양한 크기로 구분하는 역할을 한다.

• 리얼 모드에서는 고정 크기의 어드레스 영역을 지정하는 역할만 수행한다.
• 보호 모드 이후에는 접근 권한, 세그먼트의 시작 어드레스와 크기 등을 지정하는 데 사용하기도 한다.

• CS: 코드 영역을 가리키는 레지스터. MOV 명령어로는 변경할 수 없으며 JMP 나 인터럽트를 통해 변경 가능하다.
• DS: 데이터 영역에 접근할 때 암시적으로 사용한다.
• ES: 문자열과 관련된 작업을 처리할 때 암시적으로 사용한다
• FS: 데이터 영역이고, 데이터 이동 명령으로 변경할 수 있다.
• GS: 데이터 영역이고, 데이터 이동 명령으로 변경할 수 있다. FS와 같이 30386에서 요구사항 충족을 위해 추가되었다.
• SS: 스택 영역. 스택 관련 레지스터를 통해 스택에 접근할 때 암시적으로 사용된다

컨트롤 레지스터

운영 모드를 변경하고, 현재 운영 모드를 제어하는 레지스터이다.

• CR0: 운영 모드를 제어한다. 리얼 모드에서 보호 모드로 변경할 때 사용하며, 캐시나 페이징 등의 기능을 활성화한다
• CR1: 프로세서에 의해 예약된 레지스터이다
• CR2: 페이지 폴트 발생 시, 페이지 폴트가 발생한 선형 주소가 저장되는 레지스터이다. 페이징 기법 활성화 이후에는, 페이징 폴트 발생 시만 유효한 주소값을 가진다.
• CR3: 페이지 디렉토리의 물리 주소 / 페이지 캐시에 관련된 기능을 설정
• CR4: 프로세서에서 지원하는 각종 확장 기능을 제어하는 레지스터. 페이지 크기 확장이나 메모리 영역 확장 등의 기능을 활성화시킨다.
• CR8: 태스크 우선순위 레지스터 값을 제어한다. 인터럽트 필터. IA-32e만 접근이 가능하다.

컨트롤 레지스터는 현재 운영 모드에 따라 필수 필드와 옵션 필드가 달라지곤 하는데, 이는 나중에 제대로 다룰 예정이다.

📝 운영 모드와 메모리 관리 기법

세그멘테이션과 페이징을 사용하기 위해서는 준비해야 하는 것이 다르다. 세그먼테이션은 세그먼트 레지스터에 세그먼트의 시작 주소 혹은 Descriptor라고 불리는 자료구조 위치를 설정해야 한다. 페이징은 컨트롤 레지스터 중에 CR3 레지스터에 Page Directory라고 불리는 자료구조 위치를 설정해야 한다.

운영 모드에 따라 지원하는 메모리 관리가 다른데, 각 모드별 메모리 관리 방식에 대해 알아보겠다.

👮‍♂️ 각 모드의 메모리 관리 방식

리얼 모드

최대 1MB의 주소 공간을 사용하고, 세그먼테이션만 지원한다. 각 세그먼테이션은 64KB로 고정되어 있다. 시작 어드레스는 각 세그먼트 레지스터에 직접 설정된다.

리얼 모드의 레지스터 크기는 16비트로 1MiB의 주소를 모두 나타낼 수 없다. 그래서 세그먼트 레지스터의 값에 $2^{16}$ 을 곱한다. 마찬가지로 이 이유 때문에 세그먼트의 크기가 64KiB이다.

보호 모드

보호모드 또한 기본적으로 세그먼트가 특정 주소를 참조하여 실제 주소를 계산하는 식으로 이루어진다. 하지만 페이징 기능까지 제공하기 때문에 조금 더 복잡하다. 보호 모드에서는 세그먼트 레지스터가 세그먼트 디스크립터의 위치를 지정한다. 이 때문에 세그먼트 레지스터는 세그먼트 셀렉터로 명칭이 바뀐다.

디스크립터 (서술자) 는 메모리 저장공간을 서술하는 자로구조로, 개중 세그먼트를 서술하는 자료구조를 세그먼트 디스크립터라고 한다.

(출처: 위키백과 세그먼트 기술자)

여기에는 시작 주소 / 크기 / 권한 / 타입 등이 존재한다. 장비 상에서 메모리 보호 기능이 있다는 이야기를 위해서 했는데, 이 역할을 수행하는 것이 DPL ( Descriptor Privilege Level ) 필드이다. 해당 필드가 CPL (Current Privilege Level) 보다 낮다면 ( 숫자가 크다면 ) 접근하지 않고 인터럽트가 발생한다.

세그먼트 디스크립터는 메모리 상에 GDT (Global Descriptor Table) 공간에 모여있다. GDT는 연속된 자료구조이며 최대 $2^{13}$ 개의 디스크립터를 포함할 수 있는 테이블 구조. 이 역시 자료구조라 레지스터에 포함되어 있어야 하고 이를 GDTR에 저장함. 16비트 GDT 크기 필드 + 32비트 Base Address 필드로 구성된다.

이렇게 계산된 결과는 물리 주소가 아닌 선형 주소. 이를 기반으로 다시 물리 주소로 변경하여 사용한다. 선형 주소는 물리 주소와 1:1 대응할 수도 있고 아닐수도 있다. 큰 규모의 운영체제를 만들지 않을 것이기 때문에 페이징을 이용하지 않고 선형 주소와 물리 주소를 1:1 대응하게 할 예정이지만, 어떻게 굴러가는지는 알아두는 것이 좋으니 적어둔다.

세그멘테이션과 페이징을 같이 쓰기

세그멘테이션은 논리 단위로 데이터를 나누는 것이고, 페이징은 일정한 크기로 데이터를 나누는 것이다. 둘 다 큰 데이터를 메모리에 적재할 때, 메모리 공간을 더욱 효율적으로 쓰기 위해 고안된 기법이다.

물리 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 실제 적재되는 메모리를 같은 단위로 할 필요가 있다. 하여 실제 물리 주소 공간은 페이지를 단위로 저장하고, 이 페이지들을 모아 세그먼트로 저장한다. 다른 곳에서는 주로 반대로 서술하는데, 세그먼트를 페이지 단위로 다시 쪼갠다 이해해도 무방하다.

즉, 세그먼트 셀렉터에서 물리 주소를 구할 때 까지는 다음과 같은 플로우가 이어진다.

1. 세그먼트 셀렉터에서 세그먼트 디스크립터를 참조한다
2. 세그먼트 디스크립터에서 가져온 베이스 주소 + 오프셋을 더해서 선형 주소를 구한다.

이 이후부터는 페이징의 영역이다. 주로 물리 메모리를 4KB로 나누고 선형 주소를 3단계로 분리하는 3단계 페이징과 메모리를 4MB 단위로 나누고 선형 주소를 2단계로 분리하느 2단계 페이징. 기본 원리는 비슷하니 3단계 페이징으로 예시를 들겠다.

선형 주소는 디렉터리 / 테이블 / 오프셋으로 구성되는데, 디스크립터 테이블처럼 페이지 디렉터리는 메모리 한 구석에 모여있다.

1. CR3 (디렉터리 기준 주소) + 디렉터리 (오프셋) 을 통해 디렉터리 테이블의 기준 주소를 구함
2. 디렉터리 테이블 주소 + 오프셋으로 페이지의 기준 주소를 구함 (물리 주소임)
3. 페이지 기준 주소와 오프셋으로 실제 물리 주소를 구함

페이지 디렉터리와 테이블 엔트리는 모두 크긱가 4바이트. 페이지 크기가 4K이므로 비트 12 ~ 31만 사용하고 나머지를 속성 필드로 쓴다. 여기에도 접근권한 관련한 비트가 있어서 메모리 모델을 잘 유지하면서 커널과 사용자 영역을 분리할 수 있다.

이렇게 실제 주소가 아닌 주소로 메모리를 구현하면, 좀 더 넓은 메모리 주소 공간을 사용할 수 있을 뿐더러 다른 프로그램에서 같은 물리 메모리 주소 공간을 사용할 때도 용이하다.

IA-32e 모드의 메모리 관리

보호 모드와 비슷하므로 중요한 차이점만 서술하겠다.

1. 모든 세그먼트의 크기는 64비트 전체. 보호모드의 세그먼트 디스크립터가 32비트만 저장할 수 있도록 설계되어서; 디스크립터의 값을 확장하는 대신 값을 고정함. 하여 IA-32e 모드에서는 기준 주소가 다른 여러 개의 세그먼트로 구분될 수 없다.
2. PAE 기능이 자동으로 활성화되며, 변환 관계도 늘었다.
3. 선형 주소를 $2^{64}$ 만큼 표현 가능함에도 48~63비트는 부호 확장으로 들어가 있음. 근데 여기서도 다 못 쓰고 프로세서가 40비트의 물리 주소를 지원하는 경우에만 최대 1TB까지 쓸 수 있음.