メモリのページングについて

メモリのページングについて学習したため、そのまとめとしてここに整理する。

ページング

• メモリをページという単位に分割し管理、仮想的なアドレス(仮想アドレス)を割り当てる
• ページ単位でストレージに退避させることにより、実メモリのサイズよりも大きな領域を取り扱うことを可能とする

仮想アドレス

• 物理メモリに変換するためのテーブルのエントリに関する情報を持つ
• ディレクトリ (22 ~ 31bit)
  • ページディレクトリ内の該当するエントリを指す
• テーブル (12 ~ 21bit)
  • ページテーブル内の該当するエントリを指す
• オフセット (0 ~ 11bit)
  • 割り当てるページフレーム内の相対位置を指す

ページ

• 仮想アドレス空間を一定サイズで分割し取り扱う単位
• 1ページあたり4KB

ページフレーム

• 実メモリを固定サイズで分割し取り扱う単位
• 物理ページと呼ぶこともあり
• ページをメモリに配置する枠
• ページと同じサイズ (4KB)

ページテーブル

• ページに割り当てられた仮想アドレスから、実際の物理メモリに変換するためのデータ構造
• メインメモリに配置され、CPUのページング回路を有効にする際にカーネルによって初期化される
• 最大で1024個のページへのエントリを保持する

ページディレクトリ

• ページテーブルと同じ構造をしており、1つのページテーブルを指す
• 最大で1024個のページテーブルへのエントリを保持する

仮想アドレスから物理アドレスへの変換

• 2段階に分けて変換され、それぞれの段階で別々の変換テーブルを使用する
• 対象のページディレクトリの物理アドレスは、CPUのCR3制御レジスタに保持される
• 1段階目
  • ページディレクトリ
    • 対象のページディレクトリから、仮想アドレスの先頭10bitを使用してページテーブルを取得する
• 2段階目
  • ページテーブル
    • 1段階目で取得したページテーブルから、仮想アドレスの12 ~ 22bitを使用して対応する物理アドレスを取得する

ページディレクトリ / ページテーブル内ののエントリの構造

• Presentフラグ
  • メインメモリ内に該当するページテーブル・ページが存在するかを表す
  • 1の時、メインメモリ内に存在することを表す
  • 0の時、「ページフォルト例外」が発生する
• ページフレーム物理アドレスの上位20ビットを持つフィールド
• アクセス済みフラグ
• Dirtyフラグ
  • ページテーブルエントリの場合のみ使用される
  • ページフレームに対する書き込みが行われるたびに1が設定される
• Read / Writeフラグ
  • ページ・ページテーブルのアクセス権を表す
• User / Supervisorフラグ
  • ページ・ページテーブルにアクセスするのに必要な特権レベルを表す
• PCDフラグ / PWTフラグ
  • ハードウェアキャッシュが、ページまたはページテーブルを処理する方法を制御する
• Page Sizeフラグ
  • ページディレクトリエントリの場合のみ使用される
  • エントリが2MBまたは4MBのページフレームを参照する場合は1を設定する (拡張ページングを参照)
• Globalフラグ
  • ページテーブルエントリの場合のみ使用される

拡張ページング

• ページのサイズを4KBではなく、4MBにする機能
• ページテーブルが使われなくなり、物理アドレスへの変換が1段階になる