操作系统lab2实验报告.docx

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操作系统lab2实验报告

操作系统lab2实验报告

HUNANUNIVERSITY

操作系统

实验报告

一、内容

本次实验包含三个部分。

首先了解如何发现系统中的物理内存；然后了解如何建立对物理内存的初步管理，即了解连续物理内存管理；最后了解页表相关的操作，即如何建立页表来实现虚拟内存到物理内存之间的映射，对段页式内存管理机制有一个比较全面的了解。

二、目的

1.理解基于段页式内存地址的转换机制；

2.理解页表的建立和使用方法；

3.理解物理内存的管理方法。

三、实验设计思想和练习题

练习0：

填写已有实验

使用eclipse中的diff/merge工具将实验1的代码填入本实验中代码中有“LAB1”的注释相应部分。

练习1：

实现first-fit连续物理内存分配算法（需要编程）

在实现firstfit内存分配算法的回收函数时，要考虑地址连续的空闲块之间的合并操作。

提示:

在建立空闲页

B．所有的连续内存空闲块可用一个双向链表管理，利用一个free_area_t结构体表示，查看kern/mm/memlayout.h包括：

list_entry：

双向链表指针，指向空闲的物理页；

nr_free：

记录当前空闲页的个数的无符号整形变量。

（2）连续物理内存分配思路：

物理内存页管理器顺着双向链表进行搜索空闲内存区域，直到找到一个足够大的空闲区域，这是一种速度很快的算法，因为它尽可能少地搜索链表。

如果空闲区域的大小和申请分配的大小正好一样，则把这个空闲区域分配出去，成功返回;否则将该空闲区分为两部分，一部分区域与申请分配的大小相等，把它分配出去，剩下的一部分区域形成新的空闲区。

其释放内存的设计思路是把这块区域重新放回双向链表中。

（3）具体设计：

bootloader进行探测物理格局后，利用kern_entry（）函数设置堆栈，并临时建立一个段映射关系，调用kern_init（）函数输出检查后，pmm_init（）函数完成物理内存的管理，假定page_init（）函数是按照地址从小到大的顺序传递连续内存空闲块，根据page_init（）函数中传递的参数（某个连续的空闲块的起始页，页个数），default_init_memmap（）来建立一个连续内存空闲块的双向链表，链表头设free_area.free_list，链表项设Page的base->page_link。

代码分析：

（1）default_init_memmap：

用于构建空闲页链表；

A．步骤：

（1）初始化每一个空闲页，注意使用头插法是因为地址是从低到高地址增长；

（2）计算空闲页的总数。

B．具体实现：

（2）default_alloc_pages：

用于为进程分配空闲页；

A．步骤：

（1）从空闲链表表头开始查找最小的地址，寻找足够大的空闲块；

（2）如果找到，获得指向分配的页，重新设置标志位，从空闲链表中删除此页；

（3）判断空闲块大小是否合适；

（4）如果合适，不操作；如果不合适，分割页块；

（5）计算剩余空闲页个数，返回分配的页块地址。

B．具体实现：

注：

算法改进空间：

第一页重置标志位操作被注释后，依然可以编译运行。

（3）default_free_pages：

用于释放已经使用完的页，使其合并到free_list中；

A．步骤：

（1）在free_list中查找合适位置，用以插入；

（2）改变被释放页的标志位flags及计数器ref；

（3）在free_list中向高地址或第地址合并。

B．具体实现：

练习2：

实现寻找虚拟地址对应的页表项（需要编程）

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。

此函数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。

本练习需要补全get_pte函数inkern/mm/pmm.c，实现其功能。

请回答如下问题：

请描述页目录项（PagDirectorEntry）和页表（PageTableEntry）中每个组成部分的含义和以及对ucore而言的潜在用处。

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？

解答：

分析思路：

pde_t为pagedirectoryentry，也就是一级页表的表项。

pte_t为pagetableentry，表示二级页表的表项。

uintptr_t表示为线性地址，由于段式管理只做直接映射，所以它也是逻辑地址。

pgdir（一级页表）给出页表起始地址。

通过查找这个页表，我们需要给出二级页表中对应项的地址。

虽然目前我们只有boot_pgdir一个页表，但是引入进程的概念之后每个进程都会有自己的页表。

有可能根本就没有对应的二级页表的情况，所以二级页表不必要一开始就分配，而是等到需要的时候再添加对应的二级页表。

如果在查找二级页表项时，发现对应的二级页表不存在，则需要根据create参数的值来处理是否创建新的二级页表。

如果create参数为0，则get_pte返回NULL；如果create参数不为0，则get_pte需要申请一个新的物理页（通过alloc_page来实现，可在mm/pmm.h中找到它的定义），再在一级页表中添加页目录项指向表示二级页表的新物理页。

注，新申请的页必须全部设定为零，因为这个页所代表的虚拟地址都没有被映射。

当建立从一级页表到二级页表的映射时，需要注意设置控制位。

这里应该设置同时设置上PTE_U、PTE_W和PTE_P（定义在mm/mmu.h）：

PTE_U：

表示用户态的软件可以读取对应地址的物理内存页内容；

PTE_W：

表示物理内存页内容可写；

PTE_P：

表示物理内存页存在如果原来就有二级页表，或者新建立了页表，则只需返回对应项的地址即可。

代码分析：

A．步骤：

（1）尝试获取页表起始地址；

（2）若不成功则直接返回NULL，若成功则申请一个物理页；

（3）获得物理页的线性地址，在一级页表中添加页目录项指向表示二级页表的新物理页；

（4）返回页表地址。

B．具体实现：

问题解答：

（1）请描述页目录项（PagDirectorEntry）和页表（PageTableEntry）中每个组成部分的含义和以及对ucore而言的潜在用处。

答：

高20位表示下一级页表（或物理页表）的基址（4K对齐），后12位为标志位，分别为

从低位起第0～6位为ucore内核占用，表示指向的下一级页面的某些特性（是否存在、是否可写……）；

对于PDE，第7位表示如果pde的PTE_PS位为1，那么pde中所存的就不是下一级页表，而是一张4M页的起始地址；对于PTE，第7、8位强制位0；

第9～11位供内核以外的软件使用。

（2）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？

答：

出现页访问异常会触发缺页中断，缺页中断发生时的事件顺序如下：

1）硬件陷入内核，在内核堆栈中保存程序计数器。

大多数机器将当前指令的各种状态信息保存在特殊的CPU寄存器中。

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（需要编程）

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。

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？

解答：

分析思路：

使用pte2page宏即可得到从页表项得到对应的物理页面所对应的Page结构体。

得到结构体后，判断此页被引用的次数，如果仅仅被引用一次，对页面引用进行更改，降为零则这个页可以被释放。

否则，只能释放页表入口。

代码分析：

A．步骤：

（1）在页表存在情况下，利用pte2page得到从页表项得到对应的物理页面所对应的Page结构体；

（2）判断此页被引用的次数；

（3）如果仅仅被引用一次，对页面引用进行更改，降为零则这个页可以被释放；

（4）否则，释放页表入口，清除二级页表项。

B．具体实现：

问题解答：

（1）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？

答：

Page结构体与物理页一一对应，pte2page函数从页表项找到对应物理页的Page结构体：

即Page结构体和对应物理页的起始地址一一对应。

（2）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？

答：

通过ld工具形成的ucore的起始虚拟地址从0xC0100000开始，而bootloader把ucore放在了起始物理地址为0x100000的物理内存空间。

要使得虚拟地址与物理地址相等：

首先更改KERNBASE，从0xC000000到0x00000000，原因在于在没有开启页式地址转换前，内核逻辑地址经过一次段地址转换即直接得到物理地址：

PA（物理地址）=LA（线性地址）=VA（逻辑地址）-KERNBASE；

其次，虚拟地址由0xC0100000改成0x00100000。

运行结果

四、实验体会

本实验是关于物理内存管理，主要从物理内存和建立页表两个方面设计实验，首先了解如何发现系统中的物理内存，然后了解如何建立对物理内存的初步管理，最后了解页表相关的操作总体来说还是有难度，尤其后面需要编程的内容需要很好理解各个文件的代码，参考答案进行分析，才能更好的理解实验内涵，通过实验也能深入理解段页式内存管理机制，对上课的内容有了更深理解体会。