メモリ管理、ページ・フォールト、入出力、inb()とoutb()

					2010年02月09日
情報科学類 オペレーティングシステム II

                                       筑波大学 システム情報工学研究科 
                                       コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■今日の大事な話

ページ・フォールト
inb() と outb()

■前回資料

◆1段のページ・テーブル

印刷資料は、先週配布済み。

■ページ・フォールト

アドレス空間は割り当てられているが、メモリが割り当てられていない場所をプロセスがアクセスした時には、do_page_fault() が呼ばれる。

◆x86 do_page_fault()

arch/x86/mm/fault.c:
do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)

do_page_fault() は、CPUアーキテクチャによって違う。 x86 のハードウェアの割り込み 14 により呼ばれる。次の条件で生じる。

ページングが有効、かつ、ページディレクトリまたはページテーブルの present bit が0。
ページングが有効、かつ、現在の特権レベルが当該ページをアクセスするために必要なものより低い。

x86 は、次のような情報を残す。

32ビットの仮想アドレス
エラーコード。下の表の3ビット。

ページ・フォールトのエラーコード
Bit 2 Bit 1 Bit 0

0 カーネル読み込みページがない

1 ユーザ書き込み保護違反

ページ・フォールトのエラーコード
	Bit 2	Bit 1	Bit 0
0	カーネル	読み込み	ページがない
1	ユーザ	書き込み	保護違反

arch/x86/mm/fault.c
 944: do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
 945: {
 946:         struct vm_area_struct *vma;
 947:         struct task_struct *tsk;
 948:         unsigned long address;
 949:         struct mm_struct *mm;
 950:         int write;
 951:         int fault;
 952: 
 953:         tsk = current;
 954:         mm = tsk->mm;
...
 957:         address = read_cr2();
...
1072:         vma = find_vma(mm, address);
1073:         if (unlikely(!vma)) {
1074:                 bad_area(regs, error_code, address);
1075:                 return;
1076:         }
1077:         if (likely(vma->vm_start <= address))
1078:                 goto good_area;
1079:         if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN))) {
1080:                 bad_area(regs, error_code, address);
1081:                 return;
1082:         }
...
1095:         if (unlikely(expand_stack(vma, address))) {
1096:                 bad_area(regs, error_code, address);
1097:                 return;
1098:         }
...
1104: good_area:
1105:         write = error_code & PF_WRITE;
1106: 
1107:         if (unlikely(access_error(error_code, write, vma))) {
1108:                 bad_area_access_error(regs, error_code, address);
1109:                 return;
1110:         }
..
1117:         fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write ? FAULT_FLAG_WRITE : 0);
...
1137: }

ハードウェア依存のコード。arch/x86 の下にある。
tsk に現在実行中のプロセスの task_struct を保持する。
mm に現在実行中のプロセスの mm_struct を保持する。
x86 の cr2 (control register 2) に、ページ・フォールトが生じたアドレスが含まれている。
find_vma() で、vm_area_struct を探す。見つからなければ、 bad_area()。
普通は、vma->vm_start よりも address は大きい。
スタックについては、vm_flags の VM_GROWSDOWN ビットが立っている。
その場合は、スタックの vma を自動的に拡張する。
good_area の場合、書き込みに関するアクセス許可があるかをチェックする。
handle_mm_fault() を呼び、ページテーブルを作る。

◆handle_mm_fault()

mm/memory.c
2963: int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
2964:                 unsqigned long address, unsigned int flags)
2965: {
2966:         pgd_t *pgd;
2967:         pud_t *pud;
2968:         pmd_t *pmd;
2969:         pte_t *pte;
...
2978:         pgd = pgd_offset(mm, address);
2979:         pud = pud_alloc(mm, pgd, address);
2980:         if (!pud)
2981:                 return VM_FAULT_OOM;
2982:         pmd = pmd_alloc(mm, pud, address);
2983:         if (!pmd)
2984:                 return VM_FAULT_OOM;
2985:         pte = pte_alloc_map(mm, pmd, address);
2986:         if (!pte)
2987:                 return VM_FAULT_OOM;
2988: 
2989:         return handle_pte_fault(mm, vma, address, pte, pmd, flags);
2990: }

ページテーブルを pgd, pud, pmd, pte の順に割り当てていく。
最後に pte の1エントリを handle_pte_fault() で作る。

◆handle_pte_fault()

2907: static inline int handle_pte_fault(struct mm_struct *mm,
2908:                 struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,
2909:                 pte_t *pte, pmd_t *pmd, unsigned int flags)
2910: {
2911:         pte_t entry;
2912:         spinlock_t *ptl;
2913: 
2914:         entry = *pte;
...
2916:                 if (pte_none(entry)) {
2917:                         if (vma->vm_ops) {
2918:                                 if (likely(vma->vm_ops->fault))
2919:                                         return do_linear_fault(mm, vma, address,
2920:                                                 pte, pmd, flags, entry);
2921:                         }
2922:                         return do_anonymous_page(mm, vma, address,
2923:                                                  pte, pmd, flags);
2924:                 }
...
2928:                 return do_swap_page(mm, vma, address,
2929:                                         pte, pmd, flags, entry);
...
2958: }

pte がまっさら(初めてアクセスされた)
- vma->vm_ops->fault という関数があれば、 do_linear_fault() で処理する。
- 無ければ、do_anonymous_page() で処理。 0 で初期化されたページを割り当てる。
pte がまっさらではない
- do_swap_page() でページイン。ディスクから１ページ読み出す。

■入出力

入出力命令を使うもの
通常のメモリアクセスの命令を使うもの(memory mapped I/O)

◆x86 CMOS Real-Time Clock

CMOS や Real Time という名前が紛らわしい。固有名詞と思う。次の2つの機能がある。

TOD (time of day) clock: 時刻を、year/month/day hour:minute:second という形式で持つ。秒以下は読めない。
定期的な割込み用: 2Hz から 8192Hz の範囲で、2 の冪乗の周期で割込みを起こせる。

Linux は、起動時に TOD clock を読んで、の時計を初期化する。以後、普段はこのハードウェアを参照することはしない。 hwclock コマンドで参照できる。

% date 
Mon Feb  8 23:33:36 JST 2010
% hwclock --show 
Mon Feb  8 23:33:40 2010  -0.748647 seconds
%

◆rtc_get_rtc_time()

wdrivers/char/rtc.c
1299: static void rtc_get_rtc_time(struct rtc_time *rtc_tm)
1300: {
1301:         unsigned long uip_watchdog = jiffies, flags;
1302:         unsigned char ctrl;
...
1327:         spin_lock_irqsave(&rtc_lock, flags);
1328:         rtc_tm->tm_sec = CMOS_READ(RTC_SECONDS);
1329:         rtc_tm->tm_min = CMOS_READ(RTC_MINUTES);
1330:         rtc_tm->tm_hour = CMOS_READ(RTC_HOURS);
1331:         rtc_tm->tm_mday = CMOS_READ(RTC_DAY_OF_MONTH);
1332:         rtc_tm->tm_mon = CMOS_READ(RTC_MONTH);
1333:         rtc_tm->tm_year = CMOS_READ(RTC_YEAR);
1334:         /* Only set from 2.6.16 onwards */
1335:         rtc_tm->tm_wday = CMOS_READ(RTC_DAY_OF_WEEK);
...
1340:         ctrl = CMOS_READ(RTC_CONTROL);
1341:         spin_unlock_irqrestore(&rtc_lock, flags);
1342: 
1343:         if (!(ctrl & RTC_DM_BINARY) || RTC_ALWAYS_BCD) {
1344:                 rtc_tm->tm_sec = bcd2bin(rtc_tm->tm_sec);
1345:                 rtc_tm->tm_min = bcd2bin(rtc_tm->tm_min);
1346:                 rtc_tm->tm_hour = bcd2bin(rtc_tm->tm_hour);
1347:                 rtc_tm->tm_mday = bcd2bin(rtc_tm->tm_mday);
1348:                 rtc_tm->tm_mon = bcd2bin(rtc_tm->tm_mon);
1349:                 rtc_tm->tm_year = bcd2bin(rtc_tm->tm_year);
1350:                 rtc_tm->tm_wday = bcd2bin(rtc_tm->tm_wday);
1351:         }

1361:         rtc_tm->tm_year += epoch - 1900;
1362:         if (rtc_tm->tm_year <= 69)
1363:                 rtc_tm->tm_year += 100;
1364: 
1365:         rtc_tm->tm_mon--;
1366: }

CMOS_READ() というマクロを使って、ハードウェアをたたいている(入出力を行っている)
データが BCD (Binary Coded Decimal) なら、読みんだ値を bcd2bin() で変換している。
複数のプログラムでハードウェアを同時にたたかないようにロックを行っている。

BCD では、10進数1桁を4ビットで表現する。12(10進2桁) は、16ビットの数 0x12 で表現する。

◆rtc_cmos_read()

arch/x86/include/asm/mc146818rtc.h
  94: #define CMOS_READ(addr) rtc_cmos_read(addr)
  95: #define CMOS_WRITE(val, addr) rtc_cmos_write(val, addr)

arch/x86/kernel/rtc.c
 146: unsigned char rtc_cmos_read(unsigned char addr)
 147: {
 148:         unsigned char val;
 149: 
 150:         lock_cmos_prefix(addr);
 151:         outb(addr, RTC_PORT(0));
 152:         val = inb(RTC_PORT(1));
 153:         lock_cmos_suffix(addr);
 154: 
 155:         return val;
 156: }

include/linux/mc146818rtc.h
  43: #define RTC_SECONDS             0
  45: #define RTC_MINUTES             2
  47: #define RTC_HOURS               4
...
  52: #define RTC_DAY_OF_WEEK         6
  53: #define RTC_DAY_OF_MONTH        7
  54: #define RTC_MONTH               8
  55: #define RTC_YEAR                9

  86: #define RTC_CONTROL     RTC_REG_B
  92: # define RTC_DM_BINARY 0x04     /* all time/date values are BCD if clear */

arch/x86/include/asm/mc146818rtc.h
  13: #define RTC_PORT(x)     (0x70 + (x))
  14: #define RTC_ALWAYS_BCD  1       /* RTC operates in binary mode */

CMOS_READ() は、rtc_cmos_read() のマクロ
rtc_cmos_read() では、outb() と inb() でハードウェアをたたいている。
rtc_cmos_read() では、outb() と inb() をアトミックに行うためにロックを行っている。

◆outb()とinb()

outb(unsigned char value, int port)
  ポート番号 port に 1 バイトの value を出力する

unsigned char inb(int port)
  ポート番号 port から 1 バイトの value を入力してその値を返す

◆asm()文

C言語のプログラムの中にアセンブリ言語のプログラムを混ぜて書く方法。

asm ( アセンブラの命令列
 : 出力オペランド(省略可)
 : 入力オペランド(省略可)
 : 破壊するレジスタ(省略可) )

オペランドの形式: "制約"(Cの値)
制約で = があると、書き込み専用
制約で、使えるレジスタが書ける。
オペランドは、「,」で区切って複数書ける

volatile をつけると、コンパイラによる最適化（命令の順番の入れ替え等）を抑止できる。

◆outb()とinb()

arch/x86/include/asm/io_32.h

 126: #define __BUILDIO(bwl, bw, type)                                \
 127: static inline void out##bwl(unsigned type value, int port)      \
 128: {                                                               \
 129:         out##bwl##_local(value, port);                          \
 130: }                                                               \
 131:                                                                 \
 132: static inline unsigned type in##bwl(int port)                   \
 133: {                                                               \
 134:         return in##bwl##_local(port);                           \
 135: }
 136: 
 137: #define BUILDIO(bwl, bw, type)                                          \
 138: static inline void out##bwl##_local(unsigned type value, int port)      \
 139: {                                                                       \
 140:         asm volatile("out" #bwl " %" #bw "0, %w1"               \
 141:                      : : "a"(value), "Nd"(port));                       \
 142: }                                                                       \
 143:                                                                         \
 144: static inline unsigned type in##bwl##_local(int port)                   \
 145: {                                                                       \
 146:         unsigned type value;                                            \
 147:         asm volatile("in" #bwl " %w1, %" #bw "0"                \
 148:                      : "=a"(value) : "Nd"(port));                       \
 149:         return value;                                                   \
 150: }                                                                       \
 151:                                                                         \
...

 192: BUILDIO(b, b, char)
 193: BUILDIO(w, w, short)
 194: BUILDIO(l, , int)

inb(), outb() は、BUILDIO(b,b,char)で作られる。
inb() は、inb 命令に展開される。
outb() は、outb 命令に展開される。

■クイズ8 メモリ管理、ページ・フォールト、入出力、inb()とoutb()

★問題(801) ページフォールト

Linux のユーザ・プロセスがページアウトされているページをアクセスするとページフォールトが発生する。この時実行される関数を１つ選び、その関数の役割を簡単に説明しなさい。

★問題(802) x86 CMOS RTCからの時間データの入力

次のプログラムは、x86 CMOS RTC ハードウェアから時間(hours)データを読み出し変数 hh (m) に入れるプログラムの一部である。空欄/*(a)*/と空欄/*(b)*/を埋めて完成させなさい。

    unsigned char hh;
    outb( /*(a)*/, 0x70 );
    hh = inb( /*(b)*/ );

Last updated: 2010/02/09 13:34:38

Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>