PintOS_Project03_UmMunsik

전두엽힘주기·2025년 6월 1일

PintOS

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virtual memory in PintOS

page: 가상 메모리의 연속적인 영역
frame: 물리 메모리의 연속적인 영역
page table: 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 자료구조
eviction: 페이지를 프레임에서 제거하고 swap table이나 파일 시스템에 잠재적으로 write하는 것
swap table : swap partition에서 evicted pages가 written 되는 곳

페이지

페이지는 4KB 크기의 가상 메모리 연속 영역
반드시 page-aligned 되어야 함 (주소가 0x1000의 배수)
64비트 가상 주소의 하위 12비트는 page offset
상위 비트는 페이지 테이블 인덱스로 사용됨
사용자 프로세스는 독립적인 user page를 가지고, 커널은 전역적인 kernel page를 가짐
유저 프로세스는 자신의 user page만 접근 가능, 커널은 둘 다 접근 가능

frame

프레임은 물리 메모리의 4KB 정렬된 영역
페이지와 1:1 매핑됨 (page ↔ frame)
frame = frame_number + offset
x86-64에서는 물리 주소 직접 접근 불가 → Pintos는 커널 가상 메모리로 물리 메모리를 직접 매핑함

페이지 테이블 (x86-64 기준)

가상 주소(VA) → 물리 주소(PA)로 변환하는 4단계 테이블 구조

VA
↓
PML4[VA >> 39] → PDPT
  ↓
PDPT[VA >> 30] → PD
  ↓
PD[VA >> 21] → PT
  ↓
PT[VA >> 12] → Physical Frame
  ↓
+ VA의 마지막 12비트 offset → 최종 물리 주소

스왑 슬롯

스왑 슬롯은 디스크에 있는 페이지 크기(4KB)의 공간
프레임을 교체할 때 사용됨 (Eviction 대상)
역시 page-aligned 되어야 함
읽거나 쓸 때는 해당 스왑 슬롯 번호를 SPTE에 저장하거나 참조함

page fault 다루기

Page Fault → 페이지 불러오기

유저 프로그램이 아직 메모리에 올라오지 않은 페이지에 접근함
→ Page Fault 발생
→ page_fault()에서 처리
→ SPT를 참고해서 적절히 처리

⸻

Page Fault 발생
• rcr2() 로 fault 주소 가져옴
• 커널 주소 or 이상한 접근이면 → 바로 종료
SPT에서 페이지 정보 찾기

page = spt_find_page(fault_addr);

없으면: 종료 (invalid access)
있으면: 어떤 타입인지 확인 (파일, 스왑, all-zero 등)
프레임 확보 (vm_do_claim_page)
• 유저 프레임 할당 (palloc_get_page(PAL_USER))
• 프레임 테이블에 기록 (누가 사용하는 중인지 등)
• 여유 프레임 없으면 → eviction(교체) 수행

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프레임 테이블 관리 (Eviction 포함)

프레임 테이블이란?
• 메모리에 있는 모든 “프레임”을 추적하는 자료구조
• 각 프레임은 누가 사용 중인지(struct page *) 들고 있음

프레임이 없을 때는?
• evict_frame() 호출
• 교체할 프레임 고르기 (알고리즘 기반, e.g. clock)
• accessed, dirty 비트를 사용
• 해당 페이지를 파일에 쓰거나, 스왑에 저장

accessed / dirty 비트?
• 하드웨어가 자동으로 설정
• OS는 이 비트를 보고: “최근에 사용됐는지” “수정됐는지” 판단함
• OS가 비트를 리셋해서 다시 체크 가능

⸻

스왑 테이블 관리

• 디스크의 “스왑 슬롯” 상태 추적 (비어있는지/사용중인지)

페이지를 스왑할 때
• 여유 슬롯 찾아서 저장
• 슬롯 번호를 SPTE에 저장

다시 메모리에 올릴 때
• 해당 슬롯에서 읽어서 메모리에 복원
• 복원되면 스왑 슬롯은 다시 free

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유형	설명	처리 방식
파일 기반 페이지	코드, 데이터 영역	`file_read_at()` 사용
스왑된 페이지	교체되며 스왑에 저장	`swap_in()` 사용
all-zero 페이지	초기화 영역	`memset(frame, 0, PGSIZE)` 사용