PML4 (Page Mapping Level 4)

PML4

PML4는 x86_64 아키텍처에서 사용하는 4단계 페이지 테이블의 가장 상위 레벨입니다.

즉, 64비트 가상 주소 → 물리 주소 변환 시, PML4는 첫 번째 인덱스로 접근되는 테이블입니다. (PML4는 "주소 변환의 첫 번째 인덱스")

필요성

64비트 주소는 최대 2⁶⁴개의 주소 공간을 다룰 수 있습니다. 하지만, 현실에서는 그렇게 큰 테이블을 한 번에 만수 없기 때문에, 4단계로 나누어 계층적으로 접근합니다. 이 구조는 페이지 테이블을 부족하게 만들고, 메모리를 절약할 수 있게 해줍니다.

주소 변환 구조 (x86-64)

가상 주소 48비트는 다음과 같이 나뉩니다.

비트 범위	테이블	설명
47–39	PML4 index	최상위 테이블
38–30	PDPT index	Page Directory Pointer Table
29–21	PD index	Page Directory
20–12	PT index	Page Table
11–0	offset	페이지 내 오프셋 (보통 4KB 페이지)

주소 변환은 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

1. PML4 (최상위 테이블) → 512 엔트리 중 하나 선택
2. PDPT (페이지 디렉터리 포인터 테이블) → 엔트리 선택
3. PD (페이지 디렉터리) → 엔트리 선택
4. PT (페이지 테이블) → 엔트리 선택
5. 페이지 내 offset으로 실제 데이터 위치 계산

Pintos에서…

Pintos는 64비트 기반 OS이므로, 4단계 페이지 테이블(PML4 구조)를 사용합니다. 밑에 있는 pintos VA를 보면 Page-Map-Level-4 가 pml4 부분입니다.

다음과 구조체로 구현됩니다.

구조체	설명
struct pml4 *pml4	각 프로세스의 페이지 테이블 루트
pml4_activate()	현재 실행 중인 프로세스의 PML4를 MMU에 등록
pml4_get_page()	가상 주소 → 물리 주소 변환
pml4_set_page()	새로운 VA → PA 매핑 등록
pml4_clear_page()	매핑 해제

→ 이 함수들은 내부적으로 하드웨어의 CR3 레지스터를 갱신하거나, 4단계 구조를 순회합니다.

매핑 예시 코드

/* 사용자 가상 주소 0x8048000에 물리 프레임 kpage를 매핑 */
pml4_set_page(thread_current()->pml4, (void *)0x8048000, kpage, true);

1번째 인자: 현재 프로세스의 pml4

2번째 인자: VA (가상주소)

3번째 인자: 물리 프레임 주소

4번째 인자: 쓰기 가능 여부

Page Fault에도 쓰이는 PML4

page_fault() 함수에서 다음과 같이 pml4 이 쓰입니다.

1. faulting address (CR2 레지스터)를 읽습니다.
2. PML4를 사용해 페이지 테이블을 검색합니다.
3. 없으면 vm_try_handle_fault()로 처리합니다.

요약

항목	설명
PML4란?	x86-64에서 페이지 테이블의 최상위 단계
역할	가상 주소를 4단계 트리를 통해 물리 주소로 변환
필요성	64비트 주소 공간을 계층적으로 관리하기 위해
Pintos에서 사용처	pml4_set_page(), pml4_get_page(), page_fault() 등
주소 변환 구조	PML4 → PDPT → PD → PT → 실제 페이지