操作系统ucorelab2.docx

1、操作系统ucorelab2操作系统实验报告 题 目：物理内存管理一、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。本实验里面实现的内存管理还是非常基本的，并没有涉及到对实际机器的优化，比如对cache的优化等。如果大家有余力，尝试完成扩展练习。练习1：实现 first-fit 连续物理内存分配算法（需要编程）在实现first fit 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

2、:在建立空闲页块链表时，需要按 照空闲页块起始地址来排序，形成一个有序的链表。可能会修改default_pmm.c中的default_init，default_init_memmap， default_alloc_pages， default_free_pages等相关函数。请仔细查看和理解default_pmm.c中的注释。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：你的first fit算法是否有进一步的改进空间练习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

3、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 in kern/mm/pmm.c，实现其功能。请仔细查看和理解get_pte函数中的注释。get_pte 函数的调用关系图如下所示： 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：请描述页目录项（Pag Director Entry）和页表（Page Table Entry）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？练习3：释放某虚地址所在的页并

4、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。page_remove_pte函数的调用关系图如下所示：二、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三、实验流程本次实验主要完成ucore内核对物理内存的管理工作。参考ucore总控函数k

5、ern_init的代码，可以清楚地看到在调用完成物理 内存初始化的pmm_init函数之前和之后，是已有lab1实验的工作，好像没啥修改。其实不然，ucore有两个方面的扩展。首 先，bootloader的工作有增加，在bootloader中，完成了对物理内存资源的探测工作（可进一步参阅附录A和附录B），让 ucore kernel在后续执行中能够基于bootloader探测出的物理内存情况进行物理内存管理初始化工作。其次，bootloader不像 lab1那样，直接调用kern_init函数，而是先调用位于lab2/kern/init/entry.S中的kern_entry函数。kern_e

6、ntry函数的主要任务是 为执行kern_init建立一个良好的C语言运行环境（设置堆栈），而且临时建立了一个段映射关系，为之后建立分页机制的过程 做一个准备（细节在3.5小节有进一步阐述）。完成这些工作后，才调用kern_init函数。四、实验过程与结果分析练习1：实现 first-fit 连续物理内存分配算法（需要编程）在实现first-fit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:在建立空闲页块链表时，需要按 照空闲页块起始地址来排序，形成一个有序的链表。可能会修改default_pmm.c中的default_init，default_init_memmap

7、， default_alloc_pages， default_free_pages等相关函数。请仔细查看和理解default_pmm.c中的注释。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：你的first fit算法是否有进一步的改进空间关键数据结构和变量：first_fit分配算法需要维护一个查找有序（地址按从小到大排列）空闲块（以页为最小单位的连续地址空间）的数据结构，而 双向链表是一个很好的选择。libs/list.h定义了可挂接任意元素的通用双向链表结构和对应的操作，所以需要了解如何使用这个文件提供的各种函数，从而 可以完成对双向链表的初始化/插入/删除等。kern/mm/

8、memlayout.h中定义了一个 free_area_t 数据结构，包含成员结构 list_entry_t free_list; / the list header 空闲块双向链表的头 unsigned int nr_free; / 空闲块的总数（以页为单位）显然，我们可以通过此数据结构来完成对空闲块的管理。而default_pmm.c中定义的free_area变量就是干这个事情的。kern/mm/pmm.h中定义了一个通用的分配算法的函数列表，用pmm_manager 表示。其中init函数就是用来初始化free_area 变量的, first_fit分配算法可直接重用default_in

9、it函数的实现。init_memmap函数需要根据现有的内存情况构建空闲块列表的初 始状态。何时应该执行这个函数呢？通过分析代码，可以知道：kern_init - pmm_init-page_init-init_memmap- pmm_manager-init_memmap所以，default_init_memmap需要根据page_init函数中传递过来的参数（某个连续地址的空闲块的起始页，页个数）来建立 一个连续内存空闲块的双向链表。这里有一个假定page_init函数是按地址从小到大的顺序传来的连续内存空闲块的。链表头 是free_area.free_list，链表项是Page数据结构的

10、base-page_link。这样我们就依靠Page数据结构中的成员变量page_link形 成了连续内存空闲块列表。struct Page int ref; / page frames reference counter uint32_t flags; / array of flags that describe the status of the page frame unsigned int property;/ the num of free block, used in first fit pm manager list_entry_t page_link;/ free list l

11、ink ;page的数据结构：default_init_memmap(struct Page *base, size_t n) struct Page *p = base; for (; p != base + n; p +) p-flags = p-property = 0; set_page_ref(p, 0); base-property = n; SetPageProperty(base); nr_free += n; list_add(&free_list, &(base-page_link); default_init_memmap函数讲根据每个物理页帧的情况来建立空闲页链表，且空

12、闲页块应该是根据地址高低形成一个有序链 表。根据上述变量的定义，default_init_memmap可大致实现如下：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 in kern/mm/pmm.c，实现其功能。请仔细查看和理解get_pte函数中的注释。get_pte 函数的调用关系图如下所示： 图1 get_pte函数的调用关

13、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：请描述页目录项（Pag Director Entry）和页表（Page Table Entry）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？（1）高20位表示下一级页表（或物理页表）的基址（4k对齐），后12位为标记为，分别为从低位起第06位为ucore内核占用，表示指向下一级页表的某些特性。（2）如果ucore执行过程中访问内存，出现了页访问异常，那么便会触发缺页中断。缺页中断的具体执行步骤在lab3中可以学习知道。练习3：释放某虚地址所在的页并取

14、消对应二级页表项的映射（需要编程）练习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

15、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删除页目录表项对应的pte：static inline voidpage_remove_pte(pde_t *pgdir, uintptr_t la, pte_t *ptep) if (*ptep & PTE_P) /页表项存在 struct Page *page = pte2page(*ptep); /找到页表项 if (page_ref_dec(page) = 0) /只被当前进程引用 free_page(page); /释放页 *ptep =

16、0; /该页目录项清零 tlb_invalidate(pgdir, la); /修改的页表是进程正在使用的那些页表，使之无效 五、实验体会和思考题通过上图，我们可以看到ucore在显示其entry（入口地址）、etext（代码段截止处地址）、edata（数据段截止处地址）、和 end（ucore截止处地址）的值后，探测出计算机系统中的物理内存的布局（e820map下的显示内容）。接下来ucore会以页 为最小分配单位实现一个简单的内存分配管理，完成二级页表的建立，进入分页模式，执行各种我们设置的检查，最后显示 ucore建立好的二级页表内容，并在分页模式下响应时钟中断。ucore内核对物理内存

17、的管理工作：bootloader(对物理内存资源进行探测) - kern_entry (为执行kern_init建立一个良好的C语言环境(设置堆栈),而且建立一个临时的段映射关系，为之后分页做准备) - kern_init(完成一些输出并对lab1结果进行检验) - pmm_init（完成物理内存的管理）- pic_init(异常相关的初始化函数)|idt_init(执行中断的初始化函数) 具体步骤：为了完成物理内存管理，这里首先需要探测可用的物理内存资源；了解到物理内存位于什么地方，有多大之后，就以固定页 面大小来划分整个物理内存空间，并准备以此为最小内存分配单位来管理整个物理内存，管理在内

18、核运行过程中每页内存， 设定其可用状态（free的，used的，还是reserved的），这其实就对应了我们在课本上讲到的连续内存分配概念和原理的具 体实现；接着ucore kernel就要建立页表， 启动分页机制，让CPU的MMU把预先建立好的页表中的页表项读入到TLB中，根 据页表项描述的虚拟页（Page）与物理页帧（Page Frame）的对应关系完成CPU对内存的读、写和执行操作。这一部分其实就对应了我们在课本上讲到内存映射、页表、多级页表等概念和原理的具体实现。代码分析：内存管理相关的总体控制函数是pmm_init函数，它完成的主要工作包括：1. 初始化物理内存页管理器框架pmm_manager； 2. 建立空闲的page链表，这样就可以分配以页（4KB）为单位的空闲内存了； 3. 检查物理内存页分配算法； 4. 为确保切换到分页机制后，代码能够正常执行，先建立一个临时二级页表； 5. 建立一一映射关系的二级页表； 6. 使能分页机制； 7. 从新设置全局段描述符表； 8. 取消临时二级页表； 9. 检查页表建立是否正确； 10. 通过自映射机制完成页表的打印输出（这部分是扩展知识）附录（源代码及注释）