PB173 - Ovladače jádra - Linux
V. Paměť
Jiri Slabý
Fakulta informatiky Masarykova univerzita
14. 10. 2014
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 1/20
Obsah cvičení
Q Organizace paměti
• Fyzický prostor
• Virtuální prostor
Alokace paměti
• SLAB alokátor
a Stránkový alokátor
• Virtuální alokátor
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
Práce s pamětí
LDD3 kap. 8 (zastaralá část o bootmem)
Understanding the Linux Virtual Memory Manager (zastaralá)
• Organizace paměti
• Alokace paměti
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 3/20
Sekce 1
Organizace paměti
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 4/20
Organizace paměti
2 oddělené světy
(tentokrát z pohledu HW)
tj-
2 různé adresové prostory
Fyzický prostor
• Rozložení určuje BIOS (popř. ekvivalenty - (U)EFI, Qemu)
• X86:dmesglgrep BI0S-e820 Virtuální prostor (paměť)
a Rozložení si určuje OS
• Různé na každé architektuře
• Dané mapování mezi FP a VP
• Nutná podpora HW (MMU), jinak mapování 1:1
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 5/20
Organizace paměti - graficky
Userspace (differs per process)
Hole
Physical memory
Hole
Kernel
Modules
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 6/20
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
• ChipXY směruje dále:
• Adresa ioo-i8f -> řadič klávesnice
• Adresa 190-if f -> časovač
RAM
• Reprezentována rozsahy lineárních (fyzických) adres
» Rozsahy kvůli vloženým prostorům zařízení (e820)
• Cache (některá zařízení také)
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 7/20
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 OOOOOOOOaf 5b0100 00064
• Jeden si zvolit (Jinou nežRSDP)
• Zapamatovat si adresu (Oxooooooooaf5bOioo)
Q Získat virtuální adresu (u32 *virt = ioremap_cache(phys, 8)) O Vypsat virtuální adresu (7„p a porovnat hodnotu s fyzickou) O Vypsat signaturu (4 B textu - virt [0]) Q Vypsat délku tabulky (4 B - virt [1]) O Odmapovat (iounmap(virt)) O 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
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 8/20
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)
9 Programy vidí více „paměti"
• Toto mapování čte MMU (ví odkud)
• Každá stránka má svoji struct page
• Informace o stránce (nikdy nevyswapovat, špinavá, počet uživatelů)
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 9/20
Grafické shrnutí
Main Memory
Physical addresses
IOMMU
Device add 'esses
Device
Zdroj: wikipedia
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 10/20
Operace s adresami
• linux/mm.h, linux/io.h
a Např. void *virt =__get_f ree_page
Fyzická adresa
• phys_addr_t phys = virt_to_phys(virt) a void *virt = phys_to_virt(phys)
Struktura page
• struct page *page = virt_to_page(virt)
• void *virt = page_to_virt(page) PFN (Page Frame Number)
• unsigned long pfn = page_to_pfn(virt_to_page(virt)) a void *virt = pfn_to_virt(pfn)
• unsigned long pfn = phys » PAGE_SHIFT
• phys_addr_t phys = pfn « PAGE_SHIFT
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 11/20
Úkol
Práce s virtuální adresou
O linux/mm.h
Q Naalokujte Stránku (virt = __get_free_page(GFP_KERNEL)) O Nakopírujte do ní řetězec
O Zjistěte fyzickou adresu (phys = virt_to_phys(virt)) 0 Zjistěte adresu struct page (page = virt_to_page(virt)) O Zarezervujte Stránku (SetPageReserved(page)) O Přemapujte fyzickou stránku (map = ioremap(phys, ...))
• Varování v dmesg ignorujte O Vypište virt, phys, page, map a page_to_pf n(page) O Vypište obsah (°/„s) virt a map © Změňte obsah map a vypište obsah virt O iounmap, ClearPageReserved a free_page O Zkonzultujte S Documentation/x86/x86_64/mm.txt
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 12/20
Sekce 2
Alokace paměti
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 13/20
Alokace paměti
Základní typy alokací
• Malé bloky až souvisle po stránkách (kmailoc)
• Souvisle po Stránkách (__get_f ree_pages)
• Nesouvisle po stránkách a namapovat (vmailoc)
GFP_* a Parametr pro alokátory
• gfp_atomic - nespi (např. uvnitř spinlocků)
• gfp_temporary - uvolním během pár příštích instrukcí o gfpjíernel - obyčejné alokace všude jinde
• a další: gfp_nofs, gfp_noio, ...
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 14/20
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), kf ree
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 15/20
Úkol
Alokace pomocí kmailoc
O Alokujte 32 stránek (jednou alokací) O Vypište jejich pfn
• Skákejte po page_size
• Použijte virt_to_page a page_to_pf n
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 16/20
__get_free_pages
Stránkový alokátor
• Musí najít souvislý blok volných stránek
• Může být problém najít větší bloky (řádu >= 2) kvůli fragmentaci
• Rychlejší než kmalloc
• Používá tzv. buddy systém
• Snižuje fragmentaci
• Podrobnosti viz wiki nebo Překladače
• linux/mm.h
• Velikost alokace se udává řádem, order (2order = počet stránek)
• get_order, MAX_ORDER (na x86 = 11= 8M) O__get_free_pages, free_pages
•__get_f ree_page, f ree_page (zkratky pro řád 0)
Úkol: alokace 32 stránek a výpis pfn
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 17/20
vmalloc
Virtuální alokátor
• Použitím podobný kmailoc
• Neatomický (vnitřně používá gfpjíernel)
• 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
• linux/vmalloc.h
• vmalloc, vfree
• Odlišná práce s adresami (POZOR)
• vmalloc_to_page, vmalloc_to_pfn
Úkol: alokace 32 stránek a výpis pfn
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 18/20
Poznámky na závěr
• Vše, co může číst uživatel se musí nejprve vymazat
• Pomocníci: kzalloc, get_zeroed_page, vzalloc
• Nejlépe vymazat všechno, co alokuji a není kritické
• Používat správné gfp_*
o gfp_atomic funguje všude, ale ubírá vzácné prostředky
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 19/20
Úkol
Alokace paměti
O Zjistěte, kolikrát za sebou lze naalokovat pamět:
• řádu 10 jako gfp_atomic
o řádu 10 jako gfp_atomic (znovu po 5 vteřinách)
• řádu 10 jako gfp_kernel
• řádu 10 jako gfp_kernel po uvolnění předešlé paměti o 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...
Inspirace: pb173/05
Jiri Slabý (Fakulta informatiky, MU)
PB173/02
14.10.2014 20/20