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Day 4

デジタル創作サークルUniProject Advent Calendar 2025

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あくあ Advent Calendar 2025

@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

ページング実装、仮想メモリの世界へ Part6

Last updated at Posted at 2025-12-10

Rustで作るx86_64 自作OS入門シリーズ
Part1【環境構築】 | Part2【no_std】 | Part3【Hello World】| Part4【VGA】 | Part5【割り込み】 | Part6【ページング】 | Part7【ヒープ】 | Part8【マルチタスク】| Part9【ファイルシステム】 | Part10【ELFローダー】 | Part11【シェル】 | Part12【完結】

はじめに

Part5で割り込みが動いてキーボード入力ができるようになりました！

今回は ページング を実装します。仮想メモリの世界に入っていきますよ〜

正直、ページングはめちゃくちゃ複雑で、最初はなんとなく理解するだけでも大変でした...

目次

ページングって何？

簡単に言うと「プログラムが見るアドレスと、実際の物理メモリのアドレスを分ける」仕組み。

プログラムA: 0x1000番地を読む → 実際は 0x50000番地
プログラムB: 0x1000番地を読む → 実際は 0x80000番地

同じ「0x1000番地」でも、プログラムごとに違う物理メモリを指せる。これで複数のプログラムが独立したメモリ空間を持てます。

用語整理

用語 意味
仮想アドレス プログラムが見るアドレス
物理アドレス 実際のRAMのアドレス
ページ 仮想メモリの単位（4KiB）
フレーム 物理メモリの単位（4KiB）
ページテーブル 仮想→物理の変換表

x86_64の4段階ページテーブル

x86_64では4段階のテーブルを使って変換します。深い...

仮想アドレス（48ビット）
┌────────┬────────┬────────┬────────┬────────────┐
│ PML4   │  PDPT  │   PD   │   PT   │  Offset    │
│ (9bit) │ (9bit) │ (9bit) │ (9bit) │  (12bit)   │
└────────┴────────┴────────┴────────┴────────────┘
    ↓        ↓        ↓        ↓
   L4テーブル → L3テーブル → L2テーブル → L1テーブル → 物理フレーム

各テーブルは512エントリ（2^9）で、最後の12ビットはページ内のオフセット（4KiB = 2^12）。

なぜ4段階？

1段階だと、64ビット空間全体をカバーするのに巨大なテーブルが必要。4段階にすることで、使っている部分だけテーブルを確保できます。メモリの節約！

bootloaderの設定

ページングを実装するには、物理メモリ全体にアクセスできる必要があります。bootloaderクレートの機能を使います：

# Cargo.toml
[dependencies]
bootloader = { version = "0.9.23", features = ["map_physical_memory"] }

map_physical_memoryフィーチャーを有効にすると、ブートローダーが物理メモリ全体を仮想アドレスにマップしてくれます。

physical_memory_offset

BootInfoにphysical_memory_offsetというフィールドが追加されます：

物理アドレス + physical_memory_offset = アクセスできる仮想アドレス

例えばphysical_memory_offsetが0xFFFF_8000_0000_0000なら：

  • 物理アドレス0x1000 → 仮想アドレス0xFFFF_8000_0000_1000でアクセス

memory.rsを作成

src/memory.rsを新規作成：

use x86_64::{
    structures::paging::{PageTable, OffsetPageTable, PhysFrame, Size4KiB, FrameAllocator},
    VirtAddr, PhysAddr,
};
use bootloader::bootinfo::{MemoryMap, MemoryRegionType};

/// ページテーブルの初期化
pub unsafe fn init(physical_memory_offset: VirtAddr) -> OffsetPageTable<'static> {
    let level_4_table = active_level_4_table(physical_memory_offset);
    OffsetPageTable::new(level_4_table, physical_memory_offset)
}

アクティブなページテーブルを取得

CR3レジスタに現在のページテーブルのアドレスが入っています：

unsafe fn active_level_4_table(physical_memory_offset: VirtAddr) -> &'static mut PageTable {
    use x86_64::registers::control::Cr3;

    let (level_4_table_frame, _) = Cr3::read();

    let phys = level_4_table_frame.start_address();
    let virt = physical_memory_offset + phys.as_u64();
    let page_table_ptr: *mut PageTable = virt.as_mut_ptr();

    &mut *page_table_ptr
}

CR3から物理アドレスを取得→オフセットを足して仮想アドレスに変換→ポインタとしてアクセス。

フレームアロケータ

新しいページをマップするには、空いている物理フレームが必要。ブートローダーが提供するメモリマップを使います：

pub struct BootInfoFrameAllocator {
    memory_map: &'static MemoryMap,
    next: usize,
}

impl BootInfoFrameAllocator {
    pub unsafe fn init(memory_map: &'static MemoryMap) -> Self {
        BootInfoFrameAllocator {
            memory_map,
            next: 0,
        }
    }

    fn usable_frames(&self) -> impl Iterator<Item = PhysFrame> {
        let regions = self.memory_map.iter();
        let usable_regions = regions.filter(|r| r.region_type == MemoryRegionType::Usable);
        let addr_ranges = usable_regions.map(|r| r.range.start_addr()..r.range.end_addr());
        let frame_addresses = addr_ranges.flat_map(|r| r.step_by(4096));
        frame_addresses.map(|addr| PhysFrame::containing_address(PhysAddr::new(addr)))
    }
}

unsafe impl FrameAllocator<Size4KiB> for BootInfoFrameAllocator {
    fn allocate_frame(&mut self) -> Option<PhysFrame> {
        let frame = self.usable_frames().nth(self.next);
        self.next += 1;
        frame
    }
}

これは「バンプアロケータ」という方式。シンプルだけど、解放ができない...まあ今は十分。

main.rsの更新

mod memory;

fn kernel_main(boot_info: &'static BootInfo) -> ! {
    // ... 前回までの初期化 ...
    
    // ページングの初期化
    let phys_mem_offset = x86_64::VirtAddr::new(boot_info.physical_memory_offset);
    let mut mapper = unsafe { memory::init(phys_mem_offset) };
    let mut frame_allocator = unsafe { 
        memory::BootInfoFrameAllocator::init(&boot_info.memory_map) 
    };
    serial_print("Paging initialized\n");
    
    // メモリ情報を表示
    println!("Physical memory offset: {:?}", phys_mem_offset);
    
    // 使用可能メモリの計算
    let usable_memory: u64 = boot_info.memory_map.iter()
        .filter(|r| r.region_type == bootloader::bootinfo::MemoryRegionType::Usable)
        .map(|r| r.range.end_addr() - r.range.start_addr())
        .sum();
    println!("Usable memory: {} KB ({} MB)", usable_memory / 1024, usable_memory / 1024 / 1024);
    
    // ...
}

動作確認

cargo bootimage

   Compiling bootloader v0.9.33
   Compiling my-os v0.1.0 (C:\Users\Aqua\Documents\Qiita\my-os)
warning: unused variable: `mapper`
  --> src\main.rs:81:9
   |
81 |     let mut mapper = unsafe { memory::init(phys_mem_offset) };
   |         ^^^^^^^^^^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore

warning: unused variable: `frame_allocator`
  --> src\main.rs:82:9
   |
82 |     let mut frame_allocator = unsafe {
   |         ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore

warning: `my-os` (bin "my-os") generated 2 warnings
    Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 1.61s
Building bootloader
    Finished `release` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 2.37s
Created bootimage for `my-os` at `target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin`

警告は出てるけど、次回（ヒープ）で使うので無視。

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin -serial file:serial.log

シリアルログ：

=== My OS Booting ===
VGA initialized
IDT initialized
PICs initialized
Interrupts enabled
Paging initialized
println! test complete
Entering infinite loop...

画面に出る内容：

Physical memory offset: VirtAddr(0xffff800000000000)
Usable memory: 130048 KB (127 MB)

QEMUのデフォルトメモリ（128MB）がちゃんと認識されてる！

アドレス変換の仕組み（おまけ）

デバッグ用に、仮想アドレスを物理アドレスに変換する関数も作っておきます：

pub fn translate_addr(addr: VirtAddr, physical_memory_offset: VirtAddr) -> Option<PhysAddr> {
    use x86_64::structures::paging::page_table::FrameError;
    use x86_64::registers::control::Cr3;

    let (level_4_table_frame, _) = Cr3::read();

    let table_indexes = [
        addr.p4_index(),
        addr.p3_index(), 
        addr.p2_index(),
        addr.p1_index(),
    ];

    let mut frame = level_4_table_frame;

    // 4段階のページテーブルをたどる
    for &index in &table_indexes {
        let virt = physical_memory_offset + frame.start_address().as_u64();
        let table_ptr: *const PageTable = virt.as_ptr();
        let table = unsafe { &*table_ptr };

        let entry = &table[index];
        frame = match entry.frame() {
            Ok(frame) => frame,
            Err(FrameError::FrameNotPresent) => return None,
            Err(FrameError::HugeFrame) => panic!("huge pages not supported"),
        };
    }

    Some(frame.start_address() + u64::from(addr.page_offset()))
}

まとめ

Part6では以下を達成しました：

  • ページングの概念を理解
  • 4段階ページテーブルの構造
  • CR3からページテーブルにアクセス
  • フレームアロケータの実装
  • メモリマップの表示

次回（Part7）は今回の成果を使って ヒープメモリ を実装します。BoxやVecが使えるようになる！楽しみ！

この記事が役に立ったら、いいね・ストックしてもらえると嬉しいです！

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