ucore Lab2回忆录

Lab2：物理内存管理

物理内存布局的探测和管理

在Lab1当中，我们仅仅是把操作系统内核从硬盘上搬到了内存里，而没有对内存进行管理。

其实bootloader在加载ELF文件之前，首先会检测所有的物理内存块，把这些内存块的信息存储在内存当中的内存块信息表e820map当中，其中包括：块的起始地址addr、块的大小size、块的类型type（例如是不是可用的）。

当ucore内核开始运行时，将会利用这个信息表去建立一个Page结构表，它按物理地址的顺序，保存了每一个物理页（4KB）的信息，包括：物理页被虚拟页引用的次数、页是否被保留、空闲页链表指针、连续空闲页的页数。

随后，操作系统将会建立一个空闲页链表，它将所有连续空闲内存的起始页的Page结构链接起来。

这样，当用户对内存进行请求alloc_page(int n)和释放free_page(int n)的时候，直接遍历空闲页链表，并修改其中的Page结构即可。

分页机制的建立

在bootloader阶段，不仅初始化了全局描述符表，建立了段机制，同时也建立了临时的二级页表。而操作系统内核在后续过程中完善了二级页表，将操作系统所用的逻辑地址与物理地址对应起来。其中页目录的首地址保存在CR3寄存器当中。此时逻辑地址、线性地址和物理地址的关系如下：
$$virtaddr=linearaddr=phyaddr+0xC0000000$$
也就是操作系统在物理内存实际是从0x0000000开始，但是它看到的虚拟地址是0xC0000000。

当分页机制建立之后，虚拟地址到物理地址的映射过程如下：

• 将虚拟地址分为段选择子和偏移，按照分段机制转化为线性地址

• 将线性地址分为3部分：页目录索引Dir、页表索引Table、偏移Offset

• 根据CR3寄存器找到页目录表，并根据Dir找到对应的页目录项

• 查询页目录项的标志位，若页表是否存在，若不存在则调用我们的alloc_page函数新建一个页表

• 根据页表索引找到页表项，里面存储了物理页的地址。如果物理页不存在，则需要继续分配内存。

可以看到，空闲内存的管理为分页机制提供了保障，至此操作系统完成了段页式机制的处理。程序的虚拟地址可以转化为物理地址了。