操作系统ucore lab2实验报告
2016-06-18 20:03
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操作系统lab2实验报告
实验二主要是完成Ucore操作系统的物理内存管理。
主要包括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。
练习0:填写已有实验
lab2会依赖lab1,需要把做的lab1的代码填到lab2中缺失的位置上面。这道题就是一个工具的利用。这里我使用的是linux下的一个叫做meld的工具。如下图:
直接将两个文件夹拖入,然后点击
compare就行了。
然后他就会分析两份代码的不同,然后就一个个比较比较复制过去就行了,在软件里面是可以支持打开对比复制了。当然
bin目录下都是make生成的就不用复制了,其他需要修改的地方主要有以下两个文件:
kdebug.c trap.c
然后直接通过这个一一对比粘贴就行了。
练习1:实现first-fit
连续物理内存分配算法
在此之前我们要先熟悉两个数据结构:第一个就是如下所示的每一个物理页的属性结构
struct Page { int ref; // page frame's 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 link };
该结构四个成员变量意义如下:
1、
ref表示这样页被页表的引用记数,应该就是映射此物理页的虚拟页个数。一旦某页表中有一个页表项设置了虚拟页到这个
Page管理的物理页的映射关系,就会把
Page的
ref加一。反之,若是解除,那就减一。
2、
flags表示此物理页的状态标记,有两个标志位,第一个表示是否被保留,如果被保留了则设为1(比如内核代码占用的空间)。第二个表示此页是否是free的。如果设置为1,表示这页是free的,可以被分配;如果设置为0,表示这页已经被分配出去了,不能被再二次分配。
3、
property用来记录某连续内存空闲块的大小,这里需要注意的是用到此成员变量的这个Page一定是连续内存块的开始地址(第一页的地址)。
4、
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,连续内存空闲块利用这个页的成员变量
page_link来链接比它地址小和大的其他连续内存空闲块
然后是下面这个结构。一个双向链表,负责管理所有的连续内存空闲块,便于分配和释放。
typedef struct { list_entry_t free_list; // the list header unsigned int nr_free; // # of free pages in this free list } free_area_t;
free_list是一个list_entry结构的双向链表指针
nr_free则记录当前空闲页的个数
有了这样两个结构加上课上的讲解,我们可以开始做实验了。
首先根据实验指导书,我们第一个实验需要完成的主要是
default_pmm.c中的
default_init,
default_init_memmap,
default_alloc_pages,
default_free_pages几个函数的修改。
先来看看
default_init函数,该函数它已经实现好了,不用做修改:
/*default_init: you can reuse the demo default_init fun to init the free_list and set nr_free to 0. free_list is used to record the free mem blocks. nr_free is the total number for free mem blocks.*/ static void default_init(void) { list_init(&free_list); nr_free = 0; }
然后是
default_init_memmap,这个函数是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。
注释如下:
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
然后直接根据英文注释就基本可以一条条写代码。
修改之后如下:
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 //设置标志位 p->flags = 0; 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 }
然后是
default_init_memmap,主要就是从空闲页块的链表中去遍历,找到第一块大小大于n的块,然后分配出来,把它从空闲页链表中除去,然后如果有多余的,把分完剩下的部分再次加入会空闲页链表中即可。
详细的代码以及注释如下:
static struct Page *default_alloc_pages(size_t n) { assert(n > 0); if (n > nr_free) { //如果所有的空闲页的加起来的大小都不够,那直接返回NULL return 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){ //由于是first-fit,则遇到的第一个大于N的块就选中即可 int i; for(i=0;i<n;i++){//递归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);//从空闲页链表中删除这个双向链表指针 le = len; } if(p->property>n){ (le2page(le,page_link))->property = p->property - n;//如果选中的第一个连续的块大于n,只取其中的大小为n的块 } ClearPageProperty(p); SetPageReserved(p); nr_free -= n;//当前空闲页的数目减n return p; } } return NULL;//没有大于等于n的连续空闲页块,返回空 }
练习2:实现寻找虚拟地址对应的页表项
这里我们需要实现的是get_pte函数,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。
由于我们已经具有了一个物理内存页管理器
default_pmm_manager,我们就可以用它来获得所需的空闲物理页。
在二级页表结构中,页目录表占4KB空间,ucore就可通过
default_pmm_manager的
default_alloc_pages函数获得一个空闲物理页,这个页的起始物理地址就是页目录表的起始地址。同理,ucore也通过这种方式获得各个页表所需的空间。页表的空间大小取决与页表要管理的物理页数n,一个页表项(32位,即4字节)可管理一个物理页,页表需要占 n/1024个物理页空间(向上取整)。这样页目录表和页表所占的总大小约为 4096+4∗n 字节。
根据
LAZY,这里我们并没有一开始就存在所有的二级页表,而是等到需要的时候再添加对应的二级页表。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(定义可在
mm/mmu.h)。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。
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
然后根据注释一步步操作以及参照别人的代码,把注释翻译以及代码展示如下:
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 }
+--------10------+-------10-------+---------12----------+ | Page Directory | Page Table | Offset within Page | | Index | Index | | +----------------+----------------+---------------------+ |--- PDX(la) ----|---- PTX(la) ---|---- PGOFF(la) ------| |----------- PPN(la) -------------|
pde_t全称为
page directory entry,也就是一级页表的表项(注意:
pgdir实际不是表项,而是一级页表本身,
pgdir给出页表起始地址。)
pte_t全称为
page table entry,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。
PTE_U: 位3,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: 位2,表示物理内存页内容可写
PTE_P: 位1,表示物理内存页存在
练习3:释放某虚拟地址所在的页并取消对应的二级页表项的映射
这里主要是page_remove_pte的补全及完善。
思路主要就是先判断该页被引用的次数,如果只被引用了一次,那么直接释放掉这页, 否则就删掉二级页表的该表项,即该页的入口。
static inline void page_remove_pte(pde_t *pgdir, uintptr_t la, pte_t *ptep) { if (*ptep & PTE_P) { //判断页表中该表项是否存在 struct Page *page = pte2page(*ptep); if (page_ref_dec(page) == 0) { //判断是否只被引用了一次 free_page(page); //如果只被引用了一次,那么可以释放掉此页 } *ptep = 0; //如果被多次引用,则不能释放此页,只用释放二级页表的表项 tlb_invalidate(pgdir, la); //更新页表 } }
实验结果
最后实验运行截图如下:运行成功。
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