Memoria Virtuale in Linux

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Memoria Virtuale in Linux
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Architetture x86

• Su architetture x86 si utilizza segmentazione con
  paginazione per proteggere la memoria (modalita'
  user/kernel)
• segmento per processi kernel (suddiviso in dati
  e codice) nella parte alta della memoria
• segmento per processi user (suddiviso in dati e
  codice) nella parte bassa della memoria
• segmenti di servizio del sistema

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Descrittori dei segmenti in x86

• I descrittori dei segmenti sono mantenuti nella
  Global Descriptor Table (GDT) gestita
  dall'architettura x86
• I descrittori specificano privilegi per l'accesso
  ai corrispondenti dati (3user, 0kernel)
• Si potrebbero usare i descrittori della GDT per
  gestire direttamente i segmenti dei processi (le
  entry della GDT possono puntare a tabelle locali
  chiamate LDT)
• Tuttavia in Linux la segmentazione dei singoli
  processi viene gestita via software

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Chiamate di sistema

• Le interrupt e le chiamate di sistema vengono
  gestite attraverso la IDT (Interrupt Description
  Table) che contiene un gate per ogni possibile
  tipo di interrupt
• Le chiamate di sistema (trap) vengono gestite con
  un unico gate associato all'entry 80
• Il tipo di chiamata viene memorizzato in un
  registro
• Il gate 80 contiene le informazioni sul segmento
  e sull'offset associato al codice della system
  call (segmento kernel)

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Segmentazione in Linux

• La suddivisione logica dei dati di un processo
  (dati, stack, codice) viene gestita da Linux via
  software con una struttura dati chiamata
  vm_area_struct
• Inoltre i segmenti vengono paginati

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Paginazione virtuale

• La paginazione e' virtualizzata in modo da poter
  essere mappata su diverse architetture
• La paginazione virtuale e' a 3 livelli anche se
  alcune architetture non li sfruttano
  completamente (2 livelli in x86)
• Ogni piattaforma fornisce macro di traduzione
  degli indirizzi di pagina in modo da rendere il
  kernel indipendente dall'architettura sottostante

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Tabella delle pagine

• Ogni processo ha una tabella delle pagine (a sua
  volta paginata)
• La page directory di primo livello contiene sia
  indirizzi di pagine user (parte bassa della
  memoria) che kernel (parte alta della memoria)
• In uno schema a due livelli
• Le directory interne dello spazio kernel sono
  comuni a tutti I processi
• Le directory interne dello spazio user sono
  private

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Core map

• Il kernel mantiene una core map (mem_map) per
  tenere traccia delle pagine libere in memoria
• Ogni entry nella mem_map mantiene informazioni su
  una singola pagina fisica (frame)
• Numero di riferimenti alla pagina (gt1 condivisa)
• Eta' della pagina (per rimpiazzamento/swap)
• Inoltre si mantiene un'insieme di mappe di bit
  che corrisponde a insiemi di pagine libere
  (raggruppate in base al numero di pagine 2, 4,
  ...)

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Memoria virtuale di un processo

• La memoria virtuale viene organizzata via
  software
• Ad ogni processo viene assegnata una task_struct
  che punta ad una mm_struct che descrive il suo
  spazio di indirizzi virtuali
• La mm_struct punta ad una lista di vm_area_struct
  

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vm_area_struct

• Ogni vm_area_struct punta ad un area (es. codice
  e dati) di memoria associata al processo
• Le strutture vm_area_struct sono inoltre
  organizzate ad albero binario bilanciato (AVL)
  per rendere piu veloce la risoluzione degli
  indirizzi virtuali
• Una volta individuata la vm_area_struct che
  contiene l'indirizzo virtuale si utilizza la
  tabella delle pagine per accedere all'indirizzo
  fisico

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Riassunto

• In Linux la gestione della memoria virtuale e' a
  sua volta virtualizzata sia a livello di
  segmenti che di paginazione
• Questo rende portabile il codice
• Inoltre si ottiene maggior flessibilita' per
  gestire la rilocazione (es. ricerca su AVL)