メインメモリ

目次

• メインメモリ
• メインメモリの構造
• メモリ管理
• スタック領域の移動
• セグメンテーションの設定
• ページングの設定

メインメモリ

メモリマップ

• メインメモリのどの部分がどんな用途で利用されるかが載っている。

プログラミング

GetMemoryMap関数

EFI_MEMORY_DESCRIPTOR構造体

グローバル変数

その他

コード

• メモリマップをファイルへ保存する箇所
CHAR8 memmap_buf[4096 * 4]; struct MemoryMap memmap = {sizeof(memmap_buf), memmap_buf, 0, 0, 0, 0}; GetMemoryMap(&memmap); EFI_FILE_PROTOCOL* root_dir; OpenRootDir(image_handle, &root_dir); EFI_FILE_PROTOCOL* memmap_file; root_dir->Open( root_dir, &memmap_file, L"\\memmap", EFI_FILE_MODE_READ | EFI_FILE_MODE_WRITE | EFI_FILE_MODE_CREATE, 0); SaveMemoryMap(&memmap, memmap_file); memmap_file->Close(memmap_file);
• GetMemoryMap関数の定義
EFI_STATUS GetMemoryMap(struct MemoryMap* map) { if (map->buffer == NULL) { return EFI_BUFFER_TOO_SMALL; } map->map_size = map->buffer_size; return gBS->GetMemoryMap( &map->map_size, (EFI_MEMORY_DESCRIPTOR*)map->buffer, &map->map_key, &map->descriptor_size, &map->descriptor_version); }
• SaveMemoryMap関数の定義
EFI_STATUS SaveMemoryMap(struct MemoryMap* map, EFI_FILE_PROTOCOL* file) { CHAR8 buf[256]; UINTN len; CHAR8* header = "Index, Type, Type(name), PhysicalStart, NumberOfPages, Attribute\n"; len = AsciiStrLen(header); file->Write(file, &len, header); Print(L"map->buffer = %08lx, map->map_size = %08lx\n", map->buffer, map->map_size); EFI_PHYSICAL_ADDRESS iter; int i; for (iter = (EFI_PHYSICAL_ADDRESS)map->buffer, i = 0; iter < (EFI_PHYSICAL_ADDRESS)map->buffer + map->map_size; iter += map->descriptor_size, i++) { EFI_MEMORY_DESCRIPTOR* desc = (EFI_MEMORY_DESCRIPTOR*)iter; len = AsciiSPrint( buf, sizeof(buf), "%u, %x, %-ls, %08lx, %lx, %lx\n", i, desc->Type, GetMemoryTypeUnicode(desc->Type), desc->PhysicalStart, desc->NumberOfPages, desc->Attribute & 0xffffflu); file->Write(file, &len, buf); } return EFI_SUCCESS; }

メインメモリの構造

• メモリアドレスを解釈してメインメモリを読み書きするのはCPU自身。
• カーネルファイルをブートローダーから呼び出す際には通例0x00100000を利用する
• メインメモリの0xfee00000～0xfee00400までの1024byteの範囲にはメインメモリではなく、CPUのレジスタが置かれている。

メモリ管理

概要

• UEFIから渡されたメモリマップを参照して開いているメモリ領域を探し、メモリ割り当て要求に応じて必要なメモリ領域を払い出すというのがやりたいこと。
• メモリ管理の前にいくつかのデータ構造をOSが所有する、未使用と判定されないメモリ領域へ移動する。移動しないと他のデータで上書きされCPUが誤動作する原因となりうる
• UEFIは起動時に、x86-64の64ビットモードで動作するために必要となるデータ構造を作成する。（作成する場所はブートローダ専用データ領域(kEfiBootServicesData)
• 移動すべきデータ構造は３つ
• スタック領域
• GDT(GlobalDescriptorTable)
• ページテーブル

メモリ管理の変更点

• Main.c
//メモリマップをKernelMainへ渡す(const struct MemoryMap*のところ) typedef void EntryPointType(const struct FrameBufferConfig*, const struct MemoryMap*); EntryPointType* entry_point = (EntryPointType*)entry_addr; entry_point(&config, &memmap);
• main.cpp
//KernelMainもMain.cに合わせて変更(const MemoryMap& memory_mapのところ) extern "C" void KernelMain(const FrameBufferConfig& frame_buffer_config, const MemoryMap& memory_map) { //--中略-- printk("memory_map: %p\n", &memory_map); //メモリディスクリプタの配列を順番に表示する //iterはmemory_mapの先頭アドレスから開始して、memory_map.descriptor_size毎にずらしながらメモリマップを一通り巡る。 for (uintptr_t iter = reinterpret_cast<uintptr_t>(memory_map.buffer); iter < reinterpret_cast<uintptr_t>(memory_map.buffer) + memory_map.map_size; //メモリマップの先頭アドレス＋メモリマップのサイズ iter += memory_map.descriptor_size) { auto desc = reinterpret_cast<MemoryDescriptor*>(iter); //メモリマップデスクリプターの先頭アドレス for (int i = 0; i < available_memory_types.size(); ++i) { 　　　//ここではavailable_memoryは3種類(3,4,7)[7のみOSが自由に使える] if (desc->type == available_memory_types[i]) { printk("type = %u, phys = %08lx - %08lx, pages = %lu, attr = %08lx\n", desc->type, desc->physical_start, desc->physical_start + desc->number_of_pages * 4096 - 1, desc->number_of_pages, desc->attribute); } } }
• memory_map.hpp
#pragma once #include <stdint.h> struct MemoryMap { unsigned long long buffer_size; void* buffer; unsigned long long map_size; unsigned long long map_key; unsigned long long descriptor_size; //UEFIでは要素の大きさ(バイト数)も取得できる uint32_t descriptor_version; }; //注意：UEFI BIOSのバージョンによっては、MemoryDescriptorの定義と実際に取得されるメモリディスクリプタの構造が異なる可能性がある struct MemoryDescriptor { uint32_t type; uintptr_t physical_start; uintptr_t virtual_start; uint64_t number_of_pages; uint64_t attribute; }; #ifdef __cplusplus enum class MemoryType { kEfiReservedMemoryType, kEfiLoaderCode, kEfiLoaderData, kEfiBootServicesCode, kEfiBootServicesData, kEfiRuntimeServicesCode, kEfiRuntimeServicesData, kEfiConventionalMemory, kEfiUnusableMemory, kEfiACPIReclaimMemory, kEfiACPIMemoryNVS, kEfiMemoryMappedIO, kEfiMemoryMappedIOPortSpace, kEfiPalCode, kEfiPersistentMemory, kEfiMaxMemoryType }; inline bool operator==(uint32_t lhs, MemoryType rhs) { return lhs == static_cast<uint32_t>(rhs); } inline bool operator==(MemoryType lhs, uint32_t rhs) { return rhs == lhs; } #endif

スタック領域の移動

• スタック領域をUEFI管理のものからOS管理のものへと移し替える。
• スタック：ここではCPUがプログラムを実行する際に利用するメモリ領域。CPUはcall命令で関数を呼び出す際に暗黙的にスタックに戻り先アドレスを保存する。スタックの実体は「RSPレジスタ」

RSPに0x7fff1000が設定されている場合の例

1. 「call rax」(call命令)を実行すると、CPUはRSPの値を8減らす。(0x7fff1000から0x7fff0ff8へ)そしてそのメモリ領域へ現時点でのRIPの値を書き込む(上の図では(a)のcall raxの上の部分が0x12345672であるとしている)。その状態が(b)
2. RAXに格納されたアドレスへジャンプ。RAXを実行
3. RAXを実行し完了したら、ret命令を実行する。
4. ret命令を実行するとき、RSPが指すメモリ領域から8バイトを読み取り、RSPを8増やす。
5. 読み取ったアドレスへジャンプする。

コードファイル

• main.cppの変更点
alignas(16) uint8_t kernel_main_stack[1024 * 1024]; extern "C" void KernelMainNewStack( const FrameBufferConfig& frame_buffer_config_ref, const MemoryMap& memory_map_ref) { FrameBufferConfig frame_buffer_config{frame_buffer_config_ref}; MemoryMap memory_map{memory_map_ref}; … }
• asmfunc.asmの変更点
extern kernel_main_stack extern KernelMainNewStack global KernelMain KernelMain: mov rsp, kernel_main_stack + 1024 * 1024 call KernelMainNewStack .fin: hlt jmp .fin

セグメンテーションの設定

• やるべきことはGDTをOS側の領域に再構築すること。
• x86-64の64ビットモードでは、セグメンテーションはCPUの動作権限を決めるための機能と言える。
• CPUは現在の動作権限を持っていて、その権限で命令を実行していく。特権モードでしか実行できない機械語命令（特権命令）があったり、ページングと組み合わせることで特権モードでしかアクセスできないメモリ領域を設定することができるようになる。
• セグメンテーションの設定で必要なデータ構造は「GDT(グローバルディスクリプタテーブル)」
• ディスクリプタ：記述子という意味の一般的な言葉。(POSIXで登場するファイルディスクリプタ、USBデバイスに備わるデバイスディスクリプタなどもこの一種)

GDT(グローバルディスクリプタテーブル)

GDTを再構築する関数

• SetupSegments()：GDTにある３つのディスクリプタに値を設定する。
void SetupSegments() { gdt[0].data = 0; //SetCodeSegment() SetCodeSegment(gdt[1], DescriptorType::kExecuteRead, 0, 0, 0xfffff); //SetDataSegment() SetDataSegment(gdt[2], DescriptorType::kReadWrite, 0, 0, 0xfffff); //変数gdtを正式なGDTとしてCPUに登録する LoadGDT(sizeof(gdt) - 1, reinterpret_cast<uintptr_t>(&gdt[0])); }
• SetCodeSegment()
void SetCodeSegment(SegmentDescriptor& desc, DescriptorType type, unsigned int descriptor_privilege_level, uint32_t base, uint32_t limit) { desc.data = 0; desc.bits.base_low = base & 0xffffu; desc.bits.base_middle = (base >> 16) & 0xffu; desc.bits.base_high = (base >> 24) & 0xffu; desc.bits.limit_low = limit & 0xffffu; desc.bits.limit_high = (limit >> 16) & 0xfu; desc.bits.type = type; desc.bits.system_segment = 1; // 1: code & data segment desc.bits.descriptor_privilege_level = descriptor_privilege_level; desc.bits.present = 1; desc.bits.available = 0; desc.bits.long_mode = 1; desc.bits.default_operation_size = 0; // should be 0 when long_mode == 1 desc.bits.granularity = 1; }
• SetDataSegment()
void SetDataSegment(SegmentDescriptor& desc, DescriptorType type, unsigned int descriptor_privilege_level, uint32_t base, uint32_t limit) { SetCodeSegment(desc, type, descriptor_privilege_level, base, limit); desc.bits.long_mode = 0; desc.bits.default_operation_size = 1; // 32-bit stack segment }
• LoadGDT() [asmfunc.asm]
global LoadGDT ; void LoadGDT(uint16_t limit, uint64_t offset); LoadGDT: push rbp 'RSPを8減らしrbpをRSPへ書き込み mov rbp, rsp 'rbpへrspを記録 sub rsp, 10 'rspを10だけ減算する(10byteの空間をつくる) mov [rsp], di ; limit '引数1(limit)をrspへ mov [rsp + 2], rsi ; offset '引数2(offset)をrsp+2byteへ(計10byte) lgdt [rsp] 'GDTRへrspの値を設定 mov rsp, rbp 'rspへrbpへ退避したアドレスを書き込み pop rbp 'rbpをポップする ret
• SetDSALL() [asmfunc.asm]
global SetDSAll ; void SetDSAll(uint16_t value); SetDSAll: mov ds, di mov es, di mov fs, di mov gs, di ret

セグメントディスクリプタのフィールド

セグメントの意味

• コードセグメント：実行可能なセグメントのこと
  [system_segment = 1,type = 10]とすると読み込み可能、実行可能なセグメントという意味になる。
• データセグメント：実行不能なセグメントのこと
  [system_segment = 1,type = 2]とすると読み書き可能、実行不能なセグメントという意味にある。]

※本書が対象としているCPUの動作モード⇒「IA-32eモード(AMDではロングモード)」
サブモードとして「64ビットモード」「互換モード(compatibility mode)」がある。

ページングの設定