PB173 - Ovladače jádra - Linux
V. Paměť
Jiri Slabý
ITI, Fakulta informatiky
15. 10. 2013
Práce s pamětí
LDD3 kap. 8 (zastaralá část o bootmem)
Understanding the Linux Virtual Memory Manager (zastaralá)
a Organizace paměti • Alokace paměti
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      2/ 19
Část I
Organizace paměti
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      3/ 19
Organizace paměti
2 oddělené světy
(tentokrát z pohledu HW)
Fyzický prostor
• Rozložení určuje BIOS (popř. ekvivalenty - (U)EFI, Qemu)
• X86: dmesg|grep BIDS-e820 Virtuální prostor (paměť)
a Rozložení si určuje OS
• Různé na každé architektuře
• Dané mapování mezi FP a VP
a Nutná podpora HW (MMU), jinak mapování 1:1
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      4/ 19
Organizace paměti - graficky
BIOS				Userspace (differs per process)
RAM		I	-5-	
ACPI				
	Timer			
				Hole
PCI devices				Physical memory
				
Empty				Hole
				Kernel
				Modules
Fyzický prostor
• To, co je za MMU
• RAM, časovače, řadiče přerušení, ACPI tabulky, zařízení
• Co kde je => otázka na BIOS/(U)EFI/...
« Jak který prostor vypadá => specifikace bridge, ACPI, PCI, ...
• I hierarchický prostor
• Např. rozsah 100-lf f ->• ChipXY
0 ChipXY směruje dále:
• Adresa ioo-i8f -> řadič klávesnice
o Adresa 190-if f -> časovač
RAM
• Reprezentována rozsahy lineárních (fyzických) adres
• Rozsahy kvůli vloženým prostorům zařízení (e820)
« Cache (některá zařízení také)
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      6/ 19
Úkol
Práce s fyzickou adresou - přečtení signatury a délky nějaké ACPI tabulky z fyzické adresy
O Najít fyzickou adresu nějaké ACPI tabulky v dmesg
• Řádky formátu acpi: xsdt 00000000af5b0100 00064
• Jeden si zvolit (kromě rsdp)
• Zapamatovat adresu (Oxooooooooaf5bOioo)
Q Získat virtuální adresu (u32 *virt = ioremap_cache(pliys, 8))
O Vypsat signaturu (text, 4B - virt [0])
O Vypsat délku tabulky (4B - virt [1])
O Odmapovat (iounmap(virt))
0 Porovnejte délku s výpisem (tj. 0x00064 nahoře)
O Můžete si přemapovat a vypsat celou tabulku a porovnat položky se specifikací ACPI
Pozn.: na starších jádrech se výpis v dmesg liší
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      7/ 19
Virtuální prostor
• To, co vidí CPU (a překládá MMU)
9 11:1- start systému, noMMU, ...
• OS „rozdělí" FP na stránky
• Index stránky je tzv. page frame number (pfn)
• OS namapuje stránky do VP
• A může přidat „imaginární" stránky např. na disku (swap)
• Programy vidí více „paměti"
• Toto mapování čte MMU (ví odkud)
• Každá stránka má svoji struct page
• Informace o stránce (nikdy nevyswapovat, špinavá, počet uživatelů)
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013      8/ 19
Operace s adresami
• linux/mm.h, linux/io.h
• Např. void *virt =__get_free_page
Fyzická adresa
• phys_addr_t phys = virt_to_phys(virt)
• void *virt = phys_to_virt(phys) Struktura page
• struct page *page = virt_to_page(virt)
• void *virt = page_to_virt(page) PFN
• unsigned long pfn = page_to_pfn(virt_to_page(virt))
• void *virt = pfn_to_virt(pfn)
• unsigned long pfn = phys » PAGE_SHIFT a phys_addr_t phys = pfn « PAGE_SHIFT
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
10/19
Úkol
Práce s virtuální adresou
O linux/mm.h
O Naalokujte Stránku (virt = __get_free_page(GFP_KERNEL)) 0 Nakopírujte do ní řetězec
O Zjistěte fyzickou adresu (phys = virt_to_phys(virt)) O Zjistěte adresu struct page (page = virt_to_page(virt)) O Zarezervujte Stránku (SetPageReserved(page)) O Přemapujte fyzickou stránku (map = ioremap(phys, ...))
a Varování v dmesg ignorujte O Vypište virt, phys, page, map a page_to_pfn(page) O Vypište obsah (%s) virt a map <£> Změňte obsah map a vypište obsah virt Q iounmap, ClearPageReserved a free_page © Zkonzultujte S Documentation/x86/x86_64/mm.txt
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013 11/19
Část II
Alokace paměti
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
12/19
Alokace paměti
Základní typy alokací
• Malé bloky až souvisle po stránkách (kmailoc) a Souvisle po stránkách (__get_free_pages)
• Nesouvisle po stránkách a namapovat (vmailoc)
GFP_*
• Parametr pro alokátory
• gfp_atomic - nespi (např. uvnitř spinlocků)
• gfp_tempdrary - uvolním během pár příštích instrukcí
• gfp_kernel - obyčejné alokace všude jinde
• a další: gfp_nofs, gfp_noio, ...
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
13/19
kmalloc
SLAB alokátor
• Vnitřně alokuje po stránkách
• Stránka má velikost page_size (x86: 4K)
• Rozděluje stránky na menší kusy
• Vyhýbá se fragmentaci paměti
• linux/slab.h
• kmalloc, kzalloc (= kmalloc + memset), kfree
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
14/19
Úkol
Alokace pomocí kmailoc
O Alokujte 32 stránek (jednou alokací) Q Vypište jejich pfn
Skákejte po page_size
Použijte virt_to_page a page_to_pf n
o
o
J. Slabý (ITI, Fl)
get_free_pages
Stránkový alokátor
• Musí najít souvislý blok volných stránek
o Může být problém najít větší bloky (řádu >= 2) kvůli fragmentaci
• Rychlejší než kmalloc
• Používá tzv. buddy systém
• Snižuje fragmentaci
• Podrobnosti viz wiki
• linux/mm.h
• Velikost alokace se udává řádem, order (2order = počet stránek)
• get_order, MAX_ORDER (na x86 =11= 8M) •__get_free_pages, free_pages
•__get_free_page, free_page (order 0)
Úkol: alokace 32 stránek a výpis pfn
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
16/19
vmalloc
Virtuální alokátor
• Použitím podobný kmailoc
« Neatomický (vnitřně používá gfp_kernel)
• Maximální velikost alokace daná omezením architektury
• x86: 128MÍB (lze zvýšit parametrem, ne o moc)
• x86_64: 30 Ti B
• Alokuje po stránkách a mapuje je souvisle
• Fyzické stránky jsou umístěné různě po RAM
• Dražší
a linux/vmalloc.h
• vmalloc, vfree
a Odlišná práce s adresami (POZOR)
• vmalloc_to_page, vmalloc_to_pfn
Úkol: alokace 32 stránek a výpis pfn
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
17/19
Poznámky na závěr
• Vše, co může číst uživatel se musí nejprve vymazat
• kzalloc, get_zeroed_page, vzalloc
• Nejlépe vymazat všechno, co alokuji a není kritické a Používat správné GFP_*
• gfp_atomic funguje všude, ale ubírá vzácné prostředky
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
18/19
Úkol
Alokace paměti
O Zjistěte, kolikrát za sebou lze naalokovat pamět:
• řádu 10 jako gfp_atomic
• řádu 10 jako gfp_atomic (znovu po 5 vteřinách)
• řádu 10 jako gfp_kernel
• řádu 10 jako gfp_kernel po uvolnění předešlé paměti
• Pozn.: 210 -4096 — 4M, jak velké pole na ukazatele?
O Zkuste ve smyčce alokovat paměť s řádem <
page_alloc_costly_order, co se stane? Přijde OOM killer...
Demo: pb173/05
J. Slabý (ITI, Fl)
PB173/02
15. 10. 2013
19/19