1. 64비트 프로세서의 이모저모

os

들어가기

실질적인 OS 개발에 앞서 간단하게 책에 나온 운영 모드를 정리.

본론

1.1 운영 모드

총 다섯 가지 운영 모드를 지원하지만, 꼭 필요한 리얼 모드, 보호 모드, IA-32e 모드 를 중심으로 진행.

1.1.1 64비트 OS가 갖추어야 할 필수 운영 모드

리얼 모드

프로세서가 전원이 켜지거나 리셋되면 프로세서는 리얼 모드로 진입.
16 비트 프로세서와 동일하게 동작, BIOS(Basic Input Output System)의 기능 사용.
OS 이미지를 디스크에서 메모리로 복사하여 보호 모드로 변경.

보호 모드

리얼 모드에서 IA-32e 모드로 전환시 반드시 보호 모드를 거쳐야 함.
32 비트, 기본 동작 모드로 여러 기능(보호, 멀티태스킹, 세그먼테이션, 페이징)을 하드웨어적으로 지원.

IA-32e 모드

서브 모드로 32비트 호환 모드와 64비트 모드 존재.
32비트 코드를 그대로 실행 가능.

1.1.2 운영 모드 사이의 관계와 운영 모드의 전환

화살표 위에 표시된 내용은 해당 모드로 전환하는데 필요한 조건을 나타냄.

1.2 운영 모드와 레지스터

운영 모드 앞에 붙은 숫자는 레지스터의 크기와 관계 -> 숫자가 커질수록 레지스터 개수 증가.
OS를 개발하는 과정에서 큰 비중을 차지하는 레지스터는 범용 레지스터, 세그먼트 레지스터, 컨트롤 레지스터.

1.2.1 범용 레지스터

범용 레지스터는 계산, 메모리 어드레스 지정, 임시 저장 공간 등의 목적으로 사용.
범용 레지스터의 수가 늘어날수록 수행속도는 증가.
다양한 목적으로 사용 가능하지만, 특정 명령어는 특정 레지스터와 같이 사용
운영 모드별로 레지스터가 개별적으로 존재하지 않고 접두사나 접미사를 붙여 접근하는 크기를 표시.

1.2.2 세그먼트 레지스터

16 비트 레지스터로 어드레스 영역을 다양한 크기로 구분.
리얼 모드에서는 고정된 크기의 어드레스 영역을 지정, 보호 모드와 IA-32e 모드에서는 접근 권한과 세그먼트의 시작 어드레스를 지정하는데 사용되기도 함.
세그먼트 레지스터 접두사를 통해 명시적으로 특정 세그먼트를 설정 가능.

1.2.3 컨트롤 레지스터

운영 모드를 변경하고, 운영 중인 모드의 특정 기능을 제어하는 레지스터.
컨트롤러 레지스터는 운영 모드와 확장 기능을 제어하는 만큼 다소 복잡, 운영 모드에 따라 필수 필드와 옵션 필드가 달라짐.

1.3 운영 모드와 메모리 관리 기법

메모리 관리 기법은 크게 세그멘테이션과 페이징.
세그멘테이션은 세그멘트 레지스터에 세그먼트의 시작 주소 혹은 디스크립터 위치를 설정.
페이징은 컨트롤 레지스터 중 CR3 레지스터에 물지 주소를 설정.

1.3.1 리얼 모드의 메모리 관리 방식

리얼 모드는 최대 1MB까지 주소 공간을 사용, 세그멘테이션만 지원.
세그멘테이션에서 세그먼트의 시작 어드레스는 기준 어드레스로 사용.
리얼 모드의 세그먼테이션은 세그먼트 레지스터 값 + 범용 레지스터 값.
세그먼트 레지스터 크기 16 비트로 1MB 영역 접근??(2^16 = 65536)
– 세그먼트 레지스터 값 * 16을 기준 주소로하고 범용 레지스터와 더함.

1.3.2 보호 모드의 메모리 관리 방식

보호 모드는 세그먼테이션과 페이징 모두 지원.
보호 모드의 세그먼테이션은 레지스터에 기준 주소를 직접 설정하는 대신 디스크립터 자료구조의 위치를 설정.
세그먼트 레지스터의 명칭도 세그먼트 디스크립터를 선택한다는 의미에서 세그먼트 셀렉터로 변경.
세그먼트에 대한 정보를 나태내는 세그먼트 디스크립터.
– 시작 어드레스와 크기, 권한, 타입 등의 정보 저장.
보호 모드에서 세그먼트 레지스터는 세그먼트 디스크립터의 위치를 가르킴.
세그먼트 디스크립터는 GDT(Global Descriptor Table)에 저장.
주소를 계산하는 방법은 기준 주소에 범용 레지스터 값을 더함 -> 선형 주소.
– 선형 주소를 기반으로 물리 주소를 계산.
선형 주소는 페이징의 입력 값이되어 물리 주소로 변환.
페이징, 물리 메모리를 페이지로 나누고 선형 주소를 물리 주소로 페이지로 연결하는 방식 -> 주소 공간을 더 넓게 사용 가능.

1.3.3 IA-32e 모드의 메모리 관리 방식

세그먼트 디스크립터에 설정된 기준 주소와 크기에 관계없이 모든 기준 주소는 0, 크기는 64 비트.
주소 공간이 늘어난 만큼 변환 단계도 늘어나지만 기본적인 원리는 보호 모드 페이징과 같음.

마치며

막상 OS 개발을 시작해보려니 어렵다. 지속적인 공부가 필요할듯….
부족한 부분이나 이해가 가지 않은 부분은 뒷 장을 진행하면서 보충하자!!