操作系统ucore lab3实验报告

练习0

填写已有实验

  本实验依赖实验1和实验2.请把要做的实验1的代码填入本实验中代码有lab1、lab2的注释相应部分

首先利用meld工具比较两个文件的差异





发现缺失的是

kdebug.c、trap.c、default_pmm.c、pmm.c

四个文件的相关代码，补全后进行下一练习

练习1

给未被映射的地址映射上物理页(需要编程)

  完成

do_pgfault（mm/vmm.c）

函数，给未被映射的地址映射上物理页。设置访问权限的时候需要参考页面所在VMA的权限，同时需要注意映射物理页时需要操作内存控制结构所制定的页表，而不是内核的页表。

原理分析

  在程序的执行过程中由于某种原因（页框不存在/写只读页等）而是CPU无法最终访问到相应的物理内存单元，即无法完成从虚拟地址到物理地址的映射是，CPU会产生一次页错误异常，从而需要进行相应的页错误异常服务例程。当相关处理完成后，将返回产生异常的指令处重新执行，使得软件正常运行。

[b]产生页面异常的只要原因如下：[/b]

目标页面不存在（页表项全为0，即该线性地址与物理地址尚未建立映射或者已经撤销）;

相应的物理页面不在内存中（页表项非空，但Present标志位=0，比如在swap分区或磁盘文件上）

访问权限不符合（此时页表项P标志=1，比如企图写只读页面）.

  当出现上面情况之一,就会产生页面

page fault(#PF)

异常。产生异常的线性地址存储在

CR2中,并且将是

page fault

的产生类型保存在

error code

中

  因此此函数是完成页错误异常处理的主要函数，他根据从CPU的控制寄存器CR2中获取的页错误异常的虚拟地址，以及根据error code的错误类型来查找次虚拟地址是否在某个VMA的地址范围内，并且是否满足正确的读写权限，如果在此范围内并且权限也正确，就认为这是一次合法访问，但没有建立虚实对应关系，所以需要分配一个空闲的内存页，并修改页表完成虚地址到物理地址的映射，刷新TLB，然后调用iret中断，返回并重新执行。如果该虚地址不在某VMA范围内，这认为是一个非法访问

这里把vma_struct结构的变量简称为VMA变量。

vma_struct

struct vma_struct {
// the set of vma using the same PDT
struct mm_struct *vm_mm;
uintptr_t vm_start;      // start addr of vma
uintptr_t vm_end;      // end addr of vma
uint32_t vm_flags;     // flags of vma
//linear list link which sorted by start addr of vma
list_entry_t list_link;
};

vm_start

和

vm_end

描述了一个连续地址的虚拟内存空间的起始位置和结束位置，描述的是一个合理的地址空间范围（即严格确保 vm_start < vm_end的关系）；

list_link

是一个双向链表，按照从小到大的顺序把一系列用

vma_struct

表示的虚拟内存空间链接起来，并且还要求这些链起来的

vma_struct

应该是不相交的，即vma之间的地址空间无交集；

vm_flags

表示了这个虚拟内存空间的属性，目前的属性包括

#define VM_READ 0x00000001   //只读
#define VM_WRITE 0x00000002  //可读写
#define VM_EXEC 0x00000004   //可执行

vm_mm

是一个指针，指向一个比

vma_struct

更高的抽象层次的数据结构

mm_struct

这个数据结构表示了包含所有虚拟内存空间的共同属性。

mm_struct

struct mm_struct {
// linear list link which sorted by start addr of vma
list_entry_t mmap_list;
// current accessed vma, used for speed purpose
struct vma_struct *mmap_cache;
pde_t *pgdir; // the PDT of these vma
int map_count; // the count of these vma
void *sm_priv; // the private data for swap manager
};

mmap_list

是双向链表头，链接了所有属于同一页目录表的虚拟内存空间

mmap_cache

是指向当前正在使用的虚拟内存空间

pgdir

所指向的就是

mm_struct

数据结构所维护的页表

map_count

记录

mmap_list

里面链接的

vma_struct

的个数

sm_priv

指向用来链接记录页访问情况的链表头

结构关系

代码补充

do_pgfault

首先看下注释

/*LAB3 EXERCISE 1: YOUR CODE
* Maybe you want help comment, BELOW comments can help you finish the code
*
* Some Useful MACROs and DEFINEs, you can use them in below implementation.
* MACROs or Functions:
*   get_pte : get an pte and return the kernel virtual address of this pte for la
*             if the PT contians this pte didn't exist, alloc a page for PT (notice the 3th parameter '1')
*   pgdir_alloc_page : call alloc_page & page_insert functions to allocate a page size memory & setup
*             an addr map pa<--->la with linear address la and the PDT pgdir
* DEFINES:
*   VM_WRITE  : If vma->vm_flags & VM_WRITE == 1/0, then the vma is writable/non writable
*   PTE_W           0x002                   // page table/directory entry flags bit : Writeable
*   PTE_U           0x004                   // page table/directory entry flags bit : User can access
* VARIABLES:
*   mm->pgdir : the PDT of these vma
*
*/
(1) try to find a pte, if pte's PT(Page Table) isn't existed, then create a PT.
(2) if the phy addr isn't exist, then alloc a page & map the phy addr with logical addr

相关定义

根据注释修改代码

if (ptep == NULL)
{
cprintf("get_pte in do_pgfault failed\n");
goto failed;
}
// if the phy addr isn't exist, then alloc a page & map the phy addr with logical addr
//页表不存在
if (*ptep == 0)
{ //尝试分配一空闲页，匹配物理地址与逻辑地址，建立对应关系
if (pgdir_alloc_page(mm->pgdir, addr, perm) == NULL) {//失败内存不够退出
cprintf("pgdir_alloc_page in do_pgfault failed\n");
goto failed;
}
}

练习2

补充完成基于

FIFO

的页面替换算法（需要编程）

  完成

vmm.c

中的

do_pgfault

函数，并且在实现

FIFO

算法的

swap_fifo.c

中完成

map_swappable

和

swap_out_victim

函数。通过对swap的测试

分析

  根据练习1，当页错误异常发生时，有可能是因为页面保存在swap区或者磁盘文件上造成的，所以我们需要利用页面替换算法解决这个问题。

  页面替换主要分为两个方面，页面换出和页面换入。

- 页面换入主要在上述的

do_pgfault()

函数实现；

- 页面换出主要在

swap_out_vistim()

函数实现。

  在换入时，需要先检查产生访问异常的地址是否属于某个VMA表示的合法虚拟地址，并且保存在硬盘的swap文件中（即对应的PTE的高24位不为0，而最低位为0），则是执行页换入的时机，将调用swap_in函数完成页面换入。

  在换出时，采取的是消极的换出策略，是在调用alloc_pages函数获取空闲页时，此函数如果发现无法从物理内存页分配器（比如First Fit）获得空闲页，就会进一步调用swap_out函数 换出某页，实现一种消极的换出策略

相关定义

代码

do_pgfault

查看注释

/*LAB3 EXERCISE 2: YOUR CODE
* Now we think this pte is a  swap entry, we should load data from disk to a page with phy addr,
* and map the phy addr with logical addr, trigger swap manager to record the access situation of this page.
*
*  Some Useful MACROs and DEFINEs, you can use them in below implementation.
*  MACROs or Functions:
*    swap_in(mm, addr, &page) : alloc a memory page, then according to the swap entry in PTE for addr,
*                               find the addr of disk page, read the content of disk page into this memroy page
*    page_insert ： build the map of phy addr of an Page with the linear addr la
*    swap_map_swappable ： set the page swappable
*/

根据注释补充代码

else
{ // if this pte is a swap entry, then load data from disk to a page with phy addr
// and call page_insert to map the phy addr with logical addr
if(swap_init_ok)
{//页表项非空，根据mm结构和addr地址，尝试将硬盘中的内容换入page中
struct Page *page=NULL;
ret = swap_in(mm, addr, &page);
if (ret != 0)
{
cprintf("swap_in in do_pgfault failed\n");
goto failed;
}
//建立虚拟地址和物理地址之间的对应关系
page_insert(mm->pgdir, page, addr, perm);
//将此页面设置为可交换
swap_map_swappable(mm, addr, page, 1);
page->pra_vaddr = addr;
}
else
{
cprintf("no swap_init_ok but ptep is %x, failed\n",*ptep);
goto failed;
}
}

_fifo_map_swappable()

  首先是

_fifo_map_swappable

，可用于建立页访问属性和关系，比如访问时间的先后顺序。

首先看下注释

//record the page access situlation
/*LAB3 EXERCISE 2: YOUR CODE*/
//(1)link the most recent arrival page at the back of the pra_list_head qeueue.

根据注释写代码

/*
* (3)_fifo_map_swappable: According FIFO PRA, we should link the most recent arrival page at the back of pra_list_head qeueue
*/
static int
_fifo_map_swappable(struct mm_struct *mm, uintptr_t addr, struct Page *page, int swap_in)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
list_entry_t *entry=&(page->pra_page_link);

assert(entry != NULL && head != NULL);
//record the page access situlation
/*LAB3 EXERCISE 2: YOUR CODE*/
//(1)link the most recent arrival page at the back of the pra_list_head qeueue.//将最近用到的页面添加到次序的队尾
list_add(head, entry);
return 0;
}

_fifo_swap_out_victim()

  然后是

_fifo_swap_out_victim

，可用于实现挑选出要换出的页。

查看下注释

/* Select the victim */
/*LAB3 EXERCISE 2: YOUR CODE*/
//(1)  unlink the  earliest arrival page in front of pra_list_head qeueue
//(2)  set the addr of addr of this page to ptr_page

根据注释写代码

/*
*  (4)_fifo_swap_out_victim: According FIFO PRA, we should unlink the  earliest arrival page in front of pra_list_head qeueue,
*                            then set the addr of addr of this page to ptr_page.
*/
static int
_fifo_swap_out_victim(struct mm_struct *mm, struct Page ** ptr_page, int in_tick)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
assert(head != NULL);
assert(in_tick==0);
/* Select the victim */
/*LAB3 EXERCISE 2: YOUR CODE*/
//(1)  unlink the  earliest arrival page in front of pra_list_head qeueue
//(2)  set the addr of addr of this page to ptr_page
/* Select the tail */
//指出需要被换出的页
list_entry_t *le = head->prev;
assert(head != le);
//le2page 宏可以根据链表元素，获得对应page的指针
struct Page *p = le2page(le, pra_page_link);
//将进来最早的页面从队列中删除
list_del(le);
assert(p != NULL);
//将这一页的地址存储在ptr_page中
*ptr_page = p;
return 0;
}

运行结果

运行成功

收获

  通过本次实验，我了解物理内存管理中的连续空间分配算法的具体实现，熟悉掌握Page Fault异常处理和FIFO页替换算法的实现。对页面替换机制有了一个大题的了解，在试验中学习，收获较多。但还是对执行流程较为模糊，对页替换算法还是掌握不牢，需要进一步的巩固学习.