Memory Segmentation II

지난 시간에 이어, x86 메모리 관리 스킴에서 나오는 중요한 용어들을 정리해 봅시다.

 

1) 세그먼트 레지스터(Segment Register)

  인텔 문서에서 설명한 내용을 그대로 번역해보면, 어드레스 변환과 코딩 복잡도를 최소화하기 위해, 프로세서가 최대 6개의 세그먼트 셀렉터 값을 유지하기 위한 레지스터 셋(CS, DS, ES, FS, GS, SS)이라고 나와 있습니다. 세그먼트 레지스터와 세그먼트 유닛(세그먼테이션을 처리해주는 하드웨어)이 존재하기 때문에 우리는 특정 세그먼트 영역의 참조를 위해 어떤 범용 레지스터나 스택 영역에 참조할 세그먼트 셀렉터 값을 가져와서 어드레스 변환 작업을 일일이 직접 구현할 필요가 없습니다.

 

모든 세그먼트 레지스터는 Visible 영역과 Hidden 영역을 가지고 있습니다. 사실, 유저 관점에서는 Visible 영역에 대해서만 관심을 가져도 문제가 없습니다. 유저 관점에서 접근 가능한 레지스터 영역은 오로지 16비트 셀렉터를 저장하기 위한 영역만 존재합니다. Hidden 영역에 대해서 간단히 설명을 드리자면, 이것은 프로세서가 디스크립터를 미리 캐쉬하기 위한 영역으로 사용됩니다. 인텔 메뉴얼(System Programming Guide Vol.3-11)에 언급되어 있듯이, 세그먼트 디스크립터로부터 베이스 어드레스와 리미트 어드레스 읽기 위해, 여분의 버스 사이클 레이턴시없이 프로세서가 바로 어드레스 변환할 수 있습니다.

 

2) 세그먼트 셀렉터(Segment Selector)와 세그먼트 디스크립터(Segment Descriptor)
  세그먼트 셀렉터는 하나의 세그먼트 디스크립터를 지시하기 위한 16비트 구조체입니다. 이 16비트 구조체는 아래와 같은 필드 구조체로 이루어져 있습니다.

 

여기서 용어 정리를 확실히 짚고 넘어가야 할 부분이 있습니다만, 세그먼트 레지스터를 세그먼트 셀렉터와 동일한 것처럼 이해하실 수 있습니다. 사실 엄밀히 말하면 세그먼트 레지스터와 세그먼트 셀렉터는 같다고 정의할 수 없습니다. 세그먼트 셀렉터는 위에서 말씀드린 것처럼, 세그먼트의 정보가지고 있는 디스크립터를 식별하기 위한 값이며, 세그먼트 레지스터는 실제 물리적인 레지스터입니다. 다만, 주요 커널 관련 서적에서 이를 동일하게 취급하는 이유가 보호 모드에서는 세그먼트 레지스터가 항상 세그먼트 셀렉터 값을 저장하기 위한 용도로 사용되기 때문입니다.

  그렇다면 세그먼트 셀렉터가 필요한 이유가 무엇일까요? 이유는 간단합니다. 세그먼트 셀럭터 값을 저장하기 위한 세그먼트 레지스터는 16비트 레지스터 셋인데, 보호 모드에서 모든 세그먼트는 32비트 선형 주소 공간에서 위치할 수 있습니다. 그리고 한 세그먼트 영역의 시작과 끝에 대한 주소 정보도 필요할 것이고 또한 각각의 세그먼트는 서로 다른 보호 속성을 가질 수 있습니다. 유저 레벨에서 접근이 가능한 세그먼트 영역인지 아니면 오로지 커널 레벨에서만 접근이 가능한 영역인지 혹은 오직 읽기만 가능한 영역이 있는가하면, 읽기/쓰기 모두 허용하는 등의 속성들을 의미합니다. 16비트 세그먼트 레지스터로 32비트 선형 주소 공간을 모두 표현할 수 없을 뿐만 아니라, 그런 속성 정보들 역시 표현할 수가 없습니다. 이 때문에 각 세그먼트마다 여러가지 속성 정보를 가지고 있는 별도의 구조체가 필요합니다만, 그것이 세그먼트 디스크립터(Segment Descriptor)입니다. 이 구조체의 크기는 총 64비트로 구성되어 있으며, 아래와 같이 주소 정보 및 여러가지 속성 필드들로 구성되어 있습니다.

 

  그렇다면 이번에는 16비트 세그먼트 레지스터에 64비트 세그먼트 디스크립터 정보를 담을 수 있을까요? 역시 불가능합니다만, 이쯤되면 다들 아시겠지요. 바로 하나의 세그먼트 디스크립터를 가리키기 위한 용도로 16비트 세그먼트 셀렉터 값을 참조한다는 사실을 말입니다. 16비트 세그먼트 셀렉터 정보를 보면 세그먼트 디스크립터의 인덱스 값을 가지고 있습니다. 그 인덱스 값으로 특정 세그먼트 디스크립터를 찾아갈 수가 있지요.

 

3) 세그먼트 디스크립터 테이블(Segment Descriptor Table)
  이것은 두 개 이상 세그먼트 디스크립터들의 집합입니다. 방금전에 제가 세그먼트 디스크립터는 여러가지 속성 필드를 가지고 있는 구조체라고 언급드렸습니다. 그런 구조체를 연속적으로 여러 개를 가지고 있는 구조체 배열이 세그먼트 디스크립터 테이블입니다.

 

4) 주소 개념 설명
- 논리적인 주소(Logical Address)
  세그먼트 + 오프셋(DS:[0x1000]) 조합으로 표현된 주소를 의미합니다.

- 선형 주소(Linear Address)
  세그먼트 + 오프셋 조합의 논리적인 주소로 세그먼테이션을 통해, 특정 세그먼트 디스크립터의 베이스 주소와 오프셋을 합친 주소값입니다.
 

- 물리 주소(Physical Address)
  실제 물리 메모리 주소를 의미합니다.

- 가상 주소(Virtual Address)
  페이징 스킴을 지원할 때 선형 주소가 가상 주소가 됩니다.

보호 모드에서 선형 주소는 페이징 스킴의 지원 여부에 따라 개념이 물리 주소를 의미하거나 가상 주소를 의미할 수 있습니다. 아래의 표를 참조하시면 쉽게 구분할 수 있습니다.

 

 

 

여기까지 마무리하고 다음 시간에는 세그먼트 관련 속성 필드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

좋은 밤 보내세요.

 

 

Written by Simhyeon, Choe