メモリ・アーキテクチャ3

メモリ・アーキテクチャ３
仮想記憶
「計算機アーキテクチャ」（第１５回目）
今井慈郎（[email protected]）
仮想記憶とは
• コンピュータ上に実装されている主記憶よりも大
きな記憶領域を仮想的に提供する仕組み
• メモリ空間の一部をハードディスク装置等の大容
量外部記憶にマッピングし実装したメモリ量以上
のメモリ空間を利用できる環境をユーザに提供
• 実装したメモリ： 実記憶
• 見掛け上のメモリ：仮想記憶（「仮想メモリ」など
の語源）
実記憶と仮想記憶
• 仮想的に与えられたアドレス：仮想アドレス
（virtual address）または論理アドレス（logical
address）．
• 実記憶上で有効なアドレス：物理アドレス
（physical address）または実アドレス（real
address）．
• 仮想アドレスの範囲：仮想アドレス空間
• 物理アドレスの範囲：物理アドレス空間
仮想記憶の効果
• 仮想アドレス空間は，動的アドレス変換機構
（DAT : Dynamic Address Translation） というハー
ドウェアによって物理アドレスに変換
• 実際にこれを行うハードウェア（LSI）：MMU
（Memory Management Unit）
• プログラマは，仮想アドレス空間上でプログラム
を組むことになる．
• プログラムやデータが主記憶上に存在するのか
どうかを意識する必要はない．
• 主記憶のメモリサイズなどの（物理的）制約から
解放
仮想記憶の状況
• 最近，OSが仮想記憶機能を提供（一部のアプリは
自前でも機能を提供する場合もある）．
• ハードウェア補助がなくとも仮想記憶実装は可能．
しかし，極めて煩雑な管理が必要で非実用的
• DAT（動的アドレス変換）機能を有するMMUを持
たない計算機上での実装は，現在存在せず
• 仮想記憶の概念：1957年発表．マンチェスター大
学がAtlas用に1961年に開発したのが世界初
• 1965年にMITが開発したMultics以降，本格的に
採用され始めた．
仮想記憶の実装　No1
• 仮想記憶は，大きく分けて
■　セグメント
セグメント方式
セグメント方式
■　ページング
ページング方式
ページング方式
の二種類が存在．
• 例として，MC68000システム（16ビット，内部32ビッ
トの著名マイクロプロセサ．個人的にも大ファン:-）
では，68451（セグメント方式）と，68851（ページン
グ方式）という２種類のMMUが準備されていた．
仮想記憶の実装No2（セグメント方式）
• セグメント方式：仮想記憶を実現する方式の１つ．
• プログラムやデータをセグメントという「可変な」大
きさのまとまりで管理
• OSは，必要なプログラムやデータを主記憶上に
読み込み（ロールイン），セグメントを単位として管
理
• 読み込む際に，空き領域が足りないときは，不要
なセグメントを補助記憶装置に退避（ロールアウト）
して必要な空き領域を準備
仮想記憶の実装No2（セグメント方式）
• 各セグメントは，セグメントテーブルで管理され，
セグメント番号とセグメントの開始アドレスを保管
• 各セグメントに属するプログラムやデータの実アド
レスは，セグメントテーブル内の開始アドレスとそ
こからの相対アドレスから算出
• セグメントは，実記憶上に連続した領域として割り
当てられる．セグメントの大きさが可変長なため，
場合によっては，実記憶上には空き領域の合計
が十分あるのに連続領域が空いていないことが
ある　フラグメンテーション
仮想記憶の実装No2（セグメント方式）
• セグメント方式のバリエーションとして，ページング
方式と組み合わせた
ページ化セグメンテーション
がある．
仮想記憶の実装No3（ページング方式）
• ページング方式：仮想記憶を実現する方式の１つ．
• 物理メモリ空間と論理メモリ空間を一定サイズの
ページと呼ばれる単位に分割して管理
• 論理メモリ空間から物理メモリへの対応づけはペー
ジテーブルと呼ばれる構造体で実現（この構造体
はOSが管理）
• 物理メモリに未対応の論理メモリ空間を参照した
場合，「ページフォルト」という例外が発生
• この時，OS側の例外処理ルーチンに制御が移行
仮想記憶の実装No3（ページング方式）
• OS側の管理によって適宜対応したページを論理
メモリ空間に対応する二次記憶等から実メモリ（物
理メモリ）に読み込み，ページテーブルを更新し，
そのページを参照した命令の実行に戻る．
• これを実現するハードウエア：メモリ管理ユニット
（MMU）
• MMU内には，トランスレーション・ルックアサイド・
バッファ（Translation Lookaside Buffer:TLB）と呼
ばれる一種のキャッシュがあり，ユニット内部では
この対応表に基づいてアドレスの対応づけを行う．
仮想記憶の実装No3（ページング方式）
このテーブルから参照出来なかった場合，TLBミスと
呼ぶ．このときの処理はMMUの設計によって異なり，
• （例）MMU内にはTLBのみを持ちTLBミスにより即
時に例外を起こし，OSがページテーブルを引いて
TLBに追加することによってTLBミスを解決するアー
キテクチャ
• （例）MMUの機能強化がなされ，TLBミス時にMMU
自身が与えられた物理アドレスにあるページテーブ
ルを参照するアーキテクチャ（OSの助けを借りなが
らMMUがTLBミスを解決）
などが提供．
MMUの実装　No1
• メモリ管理ユニット（Memory Management Unit，MMU）
は，コンピュータのハードウェア部品のひとつであり，
CPUの要求するメモリアクセスを処理
• 主な機能としては
１）仮想アドレスを物理アドレスに変換する機能（すな
わち仮想記憶管理），
２）メモリ保護機能，
３）キャッシュ制御機能，
４）バス調停機能，
５）バンク切り替え機能－8ビットシステムなど簡易版に採用，
などがある．
MMUの実装　No2
• 多くのMMUでは，一般的にメモリ空間（アドレス空間）はペー
ジに分割． ページサイズ：2＾N．多くの場合，数Kバイト．
• CPUが出力するアドレス下位Nビット（ページ内オフセット）は
仮想→物理の変換（mapping）においては変化せず．一方，
CPUが出力するアドレス上位ビットは仮想ページ番号となる．
• MMUの有するページテーブルは，配列構造になっており，
仮想ページ番号がそのインデックスになっている．
• 各ページテーブルエントリ（PTE）は仮想ページ番号（その
PTEのインデックス）に対応した物理ページ番号を格納
• この物理ページ番号とページ内オフセットを組み合わせて完
全な物理アドレスを生成．
MMUの実装　No3
PTEには，含まれる情報：
• そのページに以前書込みがあったかどうか・・①
• 最後にアクセスされたのはいつか・・②
• 特権レベルごとのアクセス権・・（特権モードでの読み/
書き/実行，ユーザモードでの読み/書き/実行の可/不可を設
定）
• そのページにアクセスした時キャッシュメモリに内容
をコピーするか否か
①は書換え時にバックアップするかどうかを，
②は書換えアルゴリズムをLRUにする際に使用
ページフォールト（page fault）No1
1. ある仮想ページにアクセス・・物理メモリ（RAM）に未対応
2. その場合，MMUは「ページフォールト」を発生．CPUに通知
3. OSはその通知を受けて，空き物理ページを検索し，その物
理ページを示すようPTEの内容を書き換える．
4.
ページフォールト処理から元のプログラムに復帰するとフォー
ルトを発生させた命令を再度実行．今度はPTEが物理ペー
ジを指示．正常に処理が続行．
5. もし，空きメモリがない場合，使用中のページから（書換えア
ルゴリズムにより）物理ページを選択．その内容をディスク
に退避．そのページを使用（必要ならばディスクから内容を
復帰）　・・・　これをページング方式と呼ぶ．
ページフォールト（page fault）No2
•
•
•
ページテーブル自体もメモリ上に存在．PTEがメモ
リ上に存在しない場合あり．
その場合も，ページフォールトを利用し，OSとMMU
が協力して新たにページテーブルを割り当てる．
時としてソフトウェアのバグにより， 「ページフォー
ルト」が発生する場合もある．
ページフォールトによるシステム管理
■ プログラムによる不正アクセスの防護：
•
•
•
•
あるプログラムが許可されていない領域にアクセス
MMUのメモリ保護機能がページフォールトを発生．
OSがアクセス権を与えない設定とすることで，一般
プログラムから非許可メモリ領域への不正なアクセ
スを防御可能．
一般に，OSは，プログラム（プロセス）ごとに別の仮
想アドレス空間を用意．
ページフォールトによるシステム管理
■ MMUはメモリのフラグメンテーションに対しても有
効：
• メモリブロックの「アロケート」と「解放」が繰り返され
る．
• フリーなメモリは十分あっても，連続する大きなブロッ
クをアロケートできなくなる・・・フラグメンテーション
• 仮想記憶では，こまぎれな物理ページを集めて連
続な仮想空間をつくることができる．
代表的なCPUでのMMU機能
• マイクロプロセッサの初期の設計では，MMUは独立
した集積回路・・M68000やZ80など
• その後のCPUであるMC68030やZ280ではマイクロ
プロセッサ内にMMUを内蔵
• 最近はほとんどページング方式．しかし，x86アーキ
テクチャではセグメント方式も提供（堅持）
代表的なCPUでのMMU機能
• PA-RISCでは，ハッシュ・ページ・テーブルと呼ばれ
るより複雑な構造でアドレス変換を実行
• IA-64は一般的なページング方式とPAライクなハッ
シュ方式とIA-32モードでのセグメント方式の3つの方
式をサポート
• MIPSアーキテクチャではMMUはあるもののページ
テーブルは規定されず．・・OSが直接TLBを変更
メモリ保護機能　No1
• メモリ保護機能とはコンピュータにおいてプログ
ラムが暴走しても，他のプロセスのプログラムが
読み書きしているメモリ領域を破壊（不正書込み
してデータを改竄）することがないように保護する
機能．
• 通常，ハードウェア（MMU）とOSが協調して，多
重仮想記憶などを用いてメモリを保護
メモリ保護機能　No2（セグメント方式）
• セグメント方式では，各プロセスには，セグメントと呼ばれ
るメモリのかたまりをいくつか割り当てられて動作
• 割り当てられたセグメント以外のメモリには，アクセスでき
ない．
• セグメントはハードウェアのレジスタによって定義され，ア
クセス可能なメモリアドレスの範囲を限定
• データを許されている範囲外に読もうとしたときや書き込
もうとしたときに例外が発生する．
メモリ保護機能　No3（ページング方式）
• ページング方式では，メモリはページと呼ばれる小さな断
片に分割．
• 仮想記憶機構を使い，ページは任意の物理メモリに対応
付けられるか，保護状態であることがフラグで示される．
• ページング方式では連続した仮想記憶空間をばらばらな
物理メモリ空間に対応付ける．
• 各プロセスはページテーブルを持っていて，アクセス可能
なアドレスに物理メモリをマップする．但し，ページテーブ
ルはプロセスからは見えない．
• ページテーブルを使うことによって，新たなメモリをプロセ
スに割り当てる必要が生じたときには，適当な物理メモリ
を持ってきて新しいページとして割り当て可能．
メモリ保護機能　No3（ページング方式）
• ページテーブルは仮想アドレスをインデックスとした配列
データの形式が一般的
• 各エントリの形式はそれを管理するMMUによって決めら
れており，対応する物理メモリのアドレスの他にアクセス
権などを設定
• アクセス権としては，アクセス可能な特権レベルとアクセ
スの種別（読み込み，書き込み，実行など）の組み合わ
せで表現
• これによりMMUは当該ページへのアクセスが妥当であ
るかどうかを判断
• 不正なアクセスと判断された場合，例外（illegal access）
が発生 ・・・　OSが対応
メモリ保護機能　No4（保護キー）
• 保護キー機構では，メモリはある一定のサイズ
のかたまりに分割（例えば，2Kバイト）．各分割
領域に保護キー（protection key）と呼ばれる数値
が対応
• 各プロセスにも１つの保護キーを割り当てる
• メモリにアクセスする際，ハードウェアは現在の
プロセスの保護キーとアクセスしようとしているメ
モリの保護キーとが合致しているか，をチェック
• もし合致していない場合，例外を発生
• この機構はシステム/360アーキテクチャで採用
メモリ保護機能　No4（保護キー）
• IA-32アーキテクチャのように，ページング方式と
セグメント方式を同時に使用している場合，セグ
メントは物理メモリに直接マップせず，リニアアド
レス空間にマップされ，リニアアドレス空間から物
理アドレス空間へのマッピングをページング方式
で行う．・・・2段階マッピング
• もちろん，ページングを使わずにセグメント方式
だけを使うことも可能．両方を使用した場合，ど
ちらにもアクセス権の設定機能があるため，注意
が必要．
まとめ
• 記憶の階層構造
• 参照の局所性
• CPUから高速＆大容量の記憶装置が存在
するように見せ掛ける・・・「仮想的」
• 高速性・・・キャッシュメモリ
• 大容量性・・・仮想記憶
• 仮想記憶・・・セグメント方式，ページ方式