操作系统 ucore lab2 物理内存管理
实验目的
- 理解基于段页式内存地址的转换机制
- 理解页表的建立和使用方法
- 理解物理内存的管理方法
实验步骤
练习0：填写已有实验
- 利用meld比较lab1和lab2两个文件夹，发现
- 发现kdebug.c和trap.c有差异，点入进行修改，标识明显，简单方便。
- kdebug.c：
- trap.c：
练习1：实现 first-fit 连续物理内存分配算法
算法基本思想：要求空闲区按地址递增的次序排列。当进行内存分配时，从空闲区表头开始顺序查找，直到找到第一个能滿足其大小要求的空闲区为止。
- 在memlayout.h中的结构体Page：
struct Page {
int ref; // 表示该页被页表的引用记数
uint32_t flags; // 表示此物理页的状态标记，bit0表示是否被保留，bit1表示是否是空闲的
unsigned int property; // 用来记录某连续内存空闲块的大小
list_entry_t page_link; // 是便于把多个连续内存空闲块链接在一起的双向链表指针
};
- 在memlayout.h中的结构体free_area_t：
typedef struct {
list_entry_t free_list; // 一个list_entry结构的双向链表指针
unsigned int nr_free; // 记录当前空闲页的个数
} free_area_t;
- pmm.h中的物理内存管理类pmm_manager:
struct pmm_manager {
const char *name; // 名字
void (*init)(void); // 初始化
void (*init_memmap)(struct Page *base, size_t n); // 根据初始物理内存空间设置描述和管理数据结构
struct Page *(*alloc_pages)(size_t n); // 分配页
void (*free_pages)(struct Page *base, size_t n); // 释放页
size_t (*nr_free_pages)(void); // 返回空闲页数
void (*check)(void); // 检验管理器的正确性
};
- default_pmm.c中的default_init()：
static void
default_init(void) { // 插入free_list并将nr_free置为0
list_init(&free_list); // 记录freemem块
nr_free = 0; // free mem块总数.
}
- default_pmm.c中的default_init_memmap()：
用来初始化空闲页链表的,初始化每一个空闲页，然后计算空闲页的总数。
注释：
* (3) default_init_memmap: CALL GRAPH: kern_init --> pmm_init-->page_init-->init_memmap--> pmm_manager->init_memmap
* This fun is used to init a free block (with parameter: addr_base, page_number).
* First you should init each page (in memlayout.h) in this free block, include:
* p->flags should be set bit PG_property (means this page is valid. In pmm_init fun (in pmm.c),
* the bit PG_reserved is setted in p->flags)
* if this page is free and is not the first page of free block, p->property should be set to 0.
* if this page is free and is the first page of free block, p->property should be set to total num of block.
* p->ref should be 0, because now p is free and no reference.
* We can use p->page_link to link this page to free_list, (such as: list_add_before(&free_list, &(p->page_link)); )
* Finally, we should sum the number of free mem block: nr_free+=n
改写：
static void
default_init_memmap(struct Page *base, size_t n) {
assert(n > 0);
struct Page *p = base;
for (; p != base + n; p ++)
{
assert(PageReserved(p)); //确认本页是否为保留页
p->flags = 0； //设置标志位
SetPageProperty(p);
p->property = 0;
set_page_ref(p, 0);//清空引用
list_add_before(&free_list, &(p->page_link)); //插入空闲页的链表里面
}
nr_free += n; //说明连续有n个空闲块，属于空闲链表
base->property=n; //连续内存空闲块的大小为n，属于物理页管理链表
}
- default_pmm.c中的default_alloc_pages()：
遍历空闲页块的链表，找到第一块大小大于n的块，分配出来，从空闲页链表中移除，若有多余的，再加入空闲页链表中。
注释：
* (4) default_alloc_pages: search find a first free block (block size >=n) in free list and reszie the free block, return the addr
* of malloced block.
* (4.1) So you should search freelist like this:
* list_entry_t le = &free_list;
* while((le=list_next(le)) != &free_list) {
* ....
* (4.1.1) In while loop, get the struct page and check the p->property (record the num of free block) >=n?
* struct Page *p = le2page(le, page_link);
* if(p->property >= n){ ...
* (4.1.2) If we find this p, then it' means we find a free block(block size >=n), and the first n pages can be malloced.
* Some flag bits of this page should be setted: PG_reserved =1, PG_property =0
* unlink the pages from free_list
* (4.1.2.1) If (p->property >n), we should re-caluclate number of the the rest of this free block,
* (such as: le2page(le,page_link))->property = p->property - n;)
* (4.1.3) re-caluclate nr_free (number of the the rest of all free block)
* (4.1.4) return p
* (4.2) If we can not find a free block (block size >=n), then return NULL
改写：
static struct Page *
default_alloc_pages(size_t n) {
assert(n>0);
if(n>nr_free) return NULL;//如果所有的空闲页的加起来的大小都不够，那直接返回NULL
list_entry_t *le, *len;
le=&free_list; //从空闲块链表的头指针开始
while((le=list_next(le))!=&free_list) //依次往下寻找直到回到头指针处,即已经遍历一次
{
struct Page *p = le2page(le, page_link);//将地址转换成页的结构
if(p->property >= n) //遇到的第一个大于N的块
{
int i;
for(i=0;i<n;i++) //把选中的空闲块链表中的每一个页结构初始化
{
len = list_next(le);
struct Page *pp = le2page(le, page_link);
SetPageReserved(pp);
ClearPageProperty(pp);
list_del(le); //删除双向链表指针
le = len;
}
if(p->property>n)
(le2page(le,page_link))->property = p->property - n; //只取其中的大小为n的块
ClearPageProperty(p);
SetPageReserved(p);
nr_free-=n; //空闲页的数目减n
return p;
}
}
return NULL; //没找到
}
练习2：实现寻找虚拟地址对应的页表项
通过设置页表和对应的页表项，可建立虚拟内存地址和物理内存地址的对应关系。其中的get_pte函数是设置页表项环节中的一个重要步骤。
- pmm.c中的get_pte()：
找到一个虚地址对应的二级页表项的内核虚地址，如果此二级页表项不存在，则分配一个包含此项的二级页表。
pte_t *
get_pte(pde_t *pgdir, uintptr_t la, bool create) {
pde_t *pdep = &pgdir[PDX(la)]; // (1) find page directory entry
if (!(*pdep & PTE_P)) { // (2) check if entry is not present
struct Page *page;
if (!create || (page = alloc_page()) == NULL) { // (3) check if creating is needed, then alloc page for page table
return NULL;
}
set_page_ref(page, 1); // (4) set page reference
uintptr_t pa = page2pa(page); // (5) get linear address of page
//注释中给了提示，If you need to visit a physical address, please use KADDR()
memset(KADDR(pa), 0, PGSIZE); // (6) clear page content using memset
*pdep = pa | PTE_U | PTE_W | PTE_P; // (7) set page directory entry's permission
}
return &((pte_t *)KADDR(PDE_ADDR(*pdep)))[PTX(la)]; // (8) return page table entry
}
- 请描述页目录项（Page Directory Entry）和页表项（Page Table Entry）中每个组成部分的含义以及对ucore而言的潜在用处。
页目录项：
| 名称 | 地址 | ucore对应 |
|---|---|---|
| Page Table 4KB Aligned Address | 31 downto 12 | 对应的页表地址 |
| Avail | 11 downto 9 | PTE_AVAIL |
| Ignored | 8 | |
| Page Size | 7 | PTE_PS |
| 0 | 6 | PTE_MBZ |
| Accessed | 5 | PTE_A |
| Cache Disabled | 4 | PTE_PCD |
| Write Through | 3 | PTE_PWT |
| User/Supervisor | 2 | PTE_U |
| Read/Write | 1 | PTE_W |
| Present | 0 | PTE_P |
页表项
| 名称 | 地址 | ucore对应 |
|---|---|---|
| Physical Page Address | 31 downto 12 | 对应的物理地址高20位 |
| Avail | 11 downto 9 | PTE_AVAIL |
| Global | 8 | |
| 0 | 7 | PTE_MBZ |
| Dirty | 6 | PTE_D |
| Accessed | 5 | PTE_A |
| Cache Disabled | 4 | PTE_PCD |
| Write Through | 3 | PTE_PWT |
| User/Supervisor | 2 | PTE_U |
| Read/Write | 1 | PTE_W |
| Present | 0 | PTE_P |
- 如果ucore执行过程中访问内存，出现了页访问异常，请问硬件要做哪些事情？
1.硬件陷入内核，在内核堆栈中保存程序计数器。
2.启动一个汇编代码例程保存通用寄存器和其他易失的信息，以免被操作系统破坏。
3.当操作系统发现一个缺页中断时，尝试发现需要哪个虚拟页面。通常一个硬件寄存器包含了这一信息，如果没有的话，操作系统必须检索程序计数器，取出这条指令，用软件分析这条指令，看看它在缺页中断时正在做什么。
4.一旦知道了发生缺页中断的虚拟地址,操作系统检查这个地址是否有效,并检查存取与保护是否一致。如果不一致，向进程发出一个信号或杀掉该进程。如果地址有效且没有保护错误发生，系统则检查是否有空闲页框。如果没有空闲页框，执行页面置换算法寻找一个页面来淘汰。
5.如果选择的页框“脏”了，安排该页写回磁盘，并发生一次上下文切换，挂起产生缺页中断的进程，让其他进程运行直至磁盘传输结束。无论如何，该页框被标记为忙，以免因为其他原因而被其他进程占用。
6.一旦页框“干净”后(无论是立刻还是在写回磁盘后),操作系统查找所需页面在磁盘上的地址，通过磁盘操作将其装入。该页面被装入后，产生缺页中断的进程仍然被挂起，并且如果有其他可运行的用户进程，则选择另一个用户进程运行。
7.当磁盘中断发生时，表明该页已经被装入，页表已经更新可以反映它的位置，页框也被标记为正常状态。
8.恢复发生缺页中断指令以前的状态，程序计数器重新指向这条指令。
9.调度引发缺页中断的进程，操作系统返回调用它的汇编语言。
10.该例程恢复寄存器和其他状态信息。
练习3：释放某虚地址所在的页并取消对应二级页表项的映射
当释放一个包含某虚地址的物理内存页时，需要让对应此物理内存页的管理数据结构Page做相关的清除处理，使得此物理内存页成为空闲；另外还需把表示虚地址与物理地址对应关系的二级页表项清除。请仔细查看和理解page_remove_pte函数中的注释。为此，需要补全在 kern/mm/pmm.c中的page_remove_pte函数。page_remove_pte函数的调用关系图如下所示：
图2 page_remove_pte函数的调用关系图
请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。请回答如下问题：
数据结构Page的全局变量（其实是一个数组）的每一项与页表中的页目录项和页表项有无对应关系？如果有，其对应关系是啥？
如果希望虚拟地址与物理地址相等，则需要如何修改lab2，完成此事？ 鼓励通过编程来具体完成这个问题
扩展练习Challenge：buddy system（伙伴系统）分配算法（需要编程）
Buddy System算法把系统中的可用存储空间划分为存储块(Block)来进行管理, 每个存储块的大小必须是2的n次幂(Pow(2, n)), 即1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128…
参考伙伴分配器的一个极简实现， 在ucore中实现buddy system分配算法，要求有比较充分的测试用例说明实现的正确性，需要有设计文档。
扩展练习Challenge：任意大小的内存单元slub分配算法（需要编程）
slub算法，实现两层架构的高效内存单元分配，第一层是基于页大小的内存分配，第二层是在第一层基础上实现基于任意大小的内存分配。可简化实现，能够体现其主体思想即可。
参考linux的slub分配算法/，在ucore中实现slub分配算法。要求有比较充分的测试用例说明实现的正确性，需要有设计文档。
Challenges是选做，做一个就很好了。完成Challenge的同学可单独提交Challenge。完成得好的同学可获得最终考试成绩的加分。
