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1、 操作系統(tǒng)實驗報告HUNAN UNIVERSITY操作系統(tǒng)實驗報告目錄一、內(nèi)容2二、目的2三、實驗設(shè)計思想和練習(xí)題2練習(xí)0：填寫已有實驗2練習(xí)1：實現(xiàn) first-fit 連續(xù)物理內(nèi)存分配算法（需要編程）2練習(xí)2：實現(xiàn)尋找虛擬地址對應(yīng)的頁表項（需要編程）7練習(xí)3：釋放某虛地址所在的頁并取消對應(yīng)二級頁表項的映射（需要編程）10運行結(jié)果12四、實驗體會12一、內(nèi)容本次實驗包含三個部分。首先了解如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的物理內(nèi)存；然后了解如何建立對物理內(nèi)存的初步管理，即了解連續(xù)物理內(nèi)存管理；最后了解頁表相關(guān)的操作，即如何建立頁表來實現(xiàn)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存之間的映射，對段頁式內(nèi)存管理機制有一個比較全面的了解。二、

2、目的1.理解基于段頁式內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換機制；2.理解頁表的建立和使用方法；3.理解物理內(nèi)存的管理方法。三、實驗設(shè)計思想和練習(xí)題練習(xí)0：填寫已有實驗使用eclipse中的diff/merge工具將實驗1的代碼填入本實驗中代碼中有“LAB1”的注釋相應(yīng)部分。練習(xí)1：實現(xiàn) first-fit 連續(xù)物理內(nèi)存分配算法（需要編程）在實現(xiàn)first fit 內(nèi)存分配算法的回收函數(shù)時，要考慮地址連續(xù)的空閑塊之間的合并操作。提示:在建立空閑頁塊鏈表時，需要按照空閑頁塊起始地址來排序，形成一個有序的鏈表?？赡軙薷膁efault_pmm.c中的default_init，default_init_memmap，def

3、ault_alloc_pages， default_free_pages等相關(guān)函數(shù)。請仔細(xì)查看和理解default_pmm.c中的注釋。請在實驗報告中簡要說明你的設(shè)計實現(xiàn)過程。請回答如下問題：你的first fit算法是否有進一步的改進空間。解答：分析思路：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：A每個物理頁利用一個Page結(jié)構(gòu)體表示，查看kern/mm/memlayout.h包括：ref：引用計數(shù)，即映射此物理頁的虛擬頁個數(shù)；flags：描述物理頁屬性，bit 0設(shè)置為1，即為“被保留”項，bit 1設(shè)置為1，即為空閑項；property：記錄某連續(xù)內(nèi)存塊的大小，即地址連續(xù)的空閑頁的個數(shù)；page_link：將多個

4、連續(xù)內(nèi)存鏈接在一起的雙向鏈表指針，即構(gòu)建雙向鏈接各個Page結(jié)構(gòu)的雙向鏈表。B所有的連續(xù)內(nèi)存空閑塊可用一個雙向鏈表管理，利用一個free_area_t結(jié)構(gòu)體表示，查看kern/mm/memlayout.h包括：list_entry：雙向鏈表指針，指向空閑的物理頁；nr_free：記錄當(dāng)前空閑頁的個數(shù)的無符號整形變量。（2）連續(xù)物理內(nèi)存分配思路：物理內(nèi)存頁管理器順著雙向鏈表進行搜索空閑內(nèi)存區(qū)域，直到找到一個足夠大的空閑區(qū)域，這是一種速度很快的算法，因為它盡可能少地搜索鏈表。如果空閑區(qū)域的大小和申請分配的大小正好一樣，則把這個空閑區(qū)域分配出去，成功返回;否則將該空閑區(qū)分為兩部分，一部分區(qū)域與申請分

5、配的大小相等，把它分配出去，剩下的一部分區(qū)域形成新的空閑區(qū)。其釋放內(nèi)存的設(shè)計思路是把這塊區(qū)域重新放回雙向鏈表中。（3）具體設(shè)計：bootloader進行探測物理格局后，利用kern_entry()函數(shù)設(shè)置堆棧，并臨時建立一個段映射關(guān)系，調(diào)用kern_init()函數(shù)輸出檢查后，pmm_init()函數(shù)完成物理內(nèi)存的管理，假定page_init()函數(shù)是按照地址從小到大的順序傳遞連續(xù)內(nèi)存空閑塊，根據(jù)page_init()函數(shù)中傳遞的參數(shù)（某個連續(xù)的空閑塊的起始頁，頁個數(shù)），default_init_memmap()來建立一個連續(xù)內(nèi)存空閑塊的雙向鏈表，鏈表頭設(shè)free_area.free_list

6、，鏈表項設(shè)Page的base-page_link。代碼分析：（1）default_init_memmap ：用于構(gòu)建空閑頁鏈表；A步驟：（1）初始化每一個空閑頁，注意使用頭插法是因為地址是從低到高地址增長；（2）計算空閑頁的總數(shù)。B具體實現(xiàn)：（2）default_alloc_pages ：用于為進程分配空閑頁；A步驟：（1）從空閑鏈表表頭開始查找最小的地址，尋找足夠大的空閑塊； （2）如果找到，獲得指向分配的頁，重新設(shè)置標(biāo)志位，從空閑鏈表中刪除此頁；（3）判斷空閑塊大小是否合適；（4）如果合適，不操作；如果不合適，分割頁塊；（5）計算剩余空閑頁個數(shù)，返回分配的頁塊地址。B具體實現(xiàn)：注：算法改進

7、空間：第一頁重置標(biāo)志位操作被注釋后，依然可以編譯運行。（3）default_free_pages ：用于釋放已經(jīng)使用完的頁，使其合并到free_list中；A步驟：（1）在free_list中查找合適位置，用以插入； （2）改變被釋放頁的標(biāo)志位flags及計數(shù)器ref；（3）在free_list中向高地址或第地址合并。B具體實現(xiàn)：練習(xí)2：實現(xiàn)尋找虛擬地址對應(yīng)的頁表項（需要編程）通過設(shè)置頁表和對應(yīng)的頁表項，可建立虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址的對應(yīng)關(guān)系。其中的get_pte函數(shù)是設(shè)置頁表項環(huán)節(jié)中的一個重要步驟。此函數(shù)找到一個虛地址對應(yīng)的二級頁表項的內(nèi)核虛地址，如果此二級頁表項不存在，則分配一個包含此

8、項的二級頁表。本練習(xí)需要補全get_pte函數(shù) in kern/mm/pmm.c，實現(xiàn)其功能。請回答如下問題：請描述頁目錄項（Pag Director Entry）和頁表（Page Table Entry）中每個組成部分的含義和以及對ucore而言的潛在用處。如果ucore執(zhí)行過程中訪問內(nèi)存，出現(xiàn)了頁訪問異常，請問硬件要做哪些事情？解答：分析思路：pde_t為page directory entry，也就是一級頁表的表項。 pte_t為page table entry，表示二級頁表的表項。uintptr_t表示為線性地址，由于段式管理只做直接映射，所以它也是邏輯地址。pgdir（一級頁表）給出

9、頁表起始地址。通過查找這個頁表，我們需要給出二級頁表中對應(yīng)項的地址。雖然目前我們只有boot_pgdir一個頁表，但是引入進程的概念之后每個進程都會有自己的頁表。有可能根本就沒有對應(yīng)的二級頁表的情況，所以二級頁表不必要一開始就分配，而是等到需要的時候再添加對應(yīng)的二級頁表。如果在查找二級頁表項時，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的二級頁表不存在，則需要根據(jù)create參數(shù)的值來處理是否創(chuàng)建新的二級頁表。如果create參數(shù)為0，則get_pte返回NULL；如果create參數(shù)不為0，則get_pte需要申請一個新的物理頁（通過alloc_page來實現(xiàn)，可在mm/pmm.h中找到它的定義），再在一級頁表中添加頁目錄項

10、指向表示二級頁表的新物理頁。注，新申請的頁必須全部設(shè)定為零，因為這個頁所代表的虛擬地址都沒有被映射。當(dāng)建立從一級頁表到二級頁表的映射時，需要注意設(shè)置控制位。這里應(yīng)該設(shè)置同時設(shè)置上PTE_U、PTE_W和PTE_P（定義在mm/mmu.h）：PTE_U：表示用戶態(tài)的軟件可以讀取對應(yīng)地址的物理內(nèi)存頁內(nèi)容；PTE_W：表示物理內(nèi)存頁內(nèi)容可寫；PTE_P：表示物理內(nèi)存頁存在如果原來就有二級頁表，或者新建立了頁表，則只需返回對應(yīng)項的地址即可。代碼分析：A 步驟：（1）嘗試獲取頁表起始地址；（2）若不成功則直接返回NULL，若成功則申請一個物理頁；（3）獲得物理頁的線性地址，在一級頁表中添加頁目錄項指向表

11、示二級頁表的新物理頁；（4）返回頁表地址。B具體實現(xiàn)：問題解答：（1）請描述頁目錄項（Pag Director Entry）和頁表（Page Table Entry）中每個組成部分的含義和以及對ucore而言的潛在用處。答：高20位表示下一級頁表（或物理頁表）的基址（4K對齊），后12位為標(biāo)志位，分別為從低位起第06位為ucore內(nèi)核占用，表示指向的下一級頁面的某些特性（是否存在、是否可寫）；對于PDE，第7位表示如果pde的PTE_PS位為1，那么pde中所存的就不是下一級頁表，而是一張4M頁的起始地址；對于PTE，第7、8位強制位0；第911位供內(nèi)核以外的軟件使用。（2）如果ucore執(zhí)行

12、過程中訪問內(nèi)存，出現(xiàn)了頁訪問異常，請問硬件要做哪些事情？答：出現(xiàn)頁訪問異常會觸發(fā)缺頁中斷，缺頁中斷發(fā)生時的事件順序如下：1) 硬件陷入內(nèi)核，在內(nèi)核堆棧中保存程序計數(shù)器。大多數(shù)機器將當(dāng)前指令的各種狀態(tài)信息保存在特殊的CPU寄存器中。 2) 啟動一個匯編代碼例程保存通用寄存器和其他易失的信息，以免被操作系統(tǒng)破壞。3) 當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個缺頁中斷時，嘗試發(fā)現(xiàn)需要哪個虛擬頁面。通常一個硬件寄存器包含了這一信息，如果沒有的話，操作系統(tǒng)必須檢索程序計數(shù)器，取出這條指令，用軟件分析這條指令，看看它在缺頁中斷時正在做什么。4) 一旦知道了發(fā)生缺頁中斷的虛擬地址，操作系統(tǒng)檢查這個地址是否有效，并檢查存取與保護是

13、否一致。如果不一致，向進程發(fā)出一個信號或殺掉該進程。如果地址有效且沒有保護錯誤發(fā)生，系統(tǒng)則檢查是否有空閑頁框。如果沒有空閑頁框，執(zhí)行頁面置換算法尋找一個頁面來淘汰。5) 如果選擇的頁框“臟”了，安排該頁寫回磁盤，并發(fā)生一次上下文切換，掛起產(chǎn)生缺頁中斷的進程，讓其他進程運行直至磁盤傳輸結(jié)束。無論如何，該頁框被標(biāo)記為忙，以免因為其他原因而被其他進程占用。6) 一旦頁框“干凈”后（無論是立刻還是在寫回磁盤后），操作系統(tǒng)查找所需頁面在磁盤上的地址，通過磁盤操作將其裝入。該頁面被裝入后，產(chǎn)生缺頁中斷的進程仍然被掛起，并且如果有其他可運行的用戶進程，則選擇另一個用戶進程運行。7) 當(dāng)磁盤中斷發(fā)生時，表明該

14、頁已經(jīng)被裝入，頁表已經(jīng)更新可以反映它的位置，頁框也被標(biāo)記為正常狀態(tài)。8) 恢復(fù)發(fā)生缺頁中斷指令以前的狀態(tài)，程序計數(shù)器重新指向這條指令。9) 調(diào)度引發(fā)缺頁中斷的進程，操作系統(tǒng)返回調(diào)用它的匯編語言。10) 該例程恢復(fù)寄存器和其他狀態(tài)信息。練習(xí)3：釋放某虛地址所在的頁并取消對應(yīng)二級頁表項的映射（需要編程）當(dāng)釋放一個包含某虛地址的物理內(nèi)存頁時，需要讓對應(yīng)此物理內(nèi)存頁的管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Page做相關(guān)的清除處理，使得此物理內(nèi)存頁成為空閑；另外還需把表示虛地址與物理地址對應(yīng)關(guān)系的二級頁表項清除。請仔細(xì)查看和理解page_remove_pte函數(shù)中的注釋。為此，需要補全在 kern/mm/pmm.c中的page_

15、remove_pte函數(shù)。請回答如下問題：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Page的全局變量（其實是一個數(shù)組）的每一項與頁表中的頁目錄項和頁表項有無對應(yīng)關(guān)系？如果有，其對應(yīng)關(guān)系是啥？如果希望虛擬地址與物理地址相等，則需要如何修改lab2，完成此事？ 解答：分析思路：使用pte2page宏即可得到從頁表項得到對應(yīng)的物理頁面所對應(yīng)的Page結(jié)構(gòu)體。得到結(jié)構(gòu)體后，判斷此頁被引用的次數(shù)，如果僅僅被引用一次，對頁面引用進行更改，降為零則這個頁可以被釋放。否則，只能釋放頁表入口。代碼分析：A 步驟：（1）在頁表存在情況下，利用pte2page得到從頁表項得到對應(yīng)的物理頁面所對應(yīng)的Page結(jié)構(gòu)體；（2）判斷此頁被引用的次數(shù)；（3）如果僅僅被引用一次，對頁面引用進行更改，降為零則這個頁可以被釋放；（4）否則，釋放頁表入口，清除二級頁表項。B具體實現(xiàn)：問題解答：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Page的全局變量（其實是一個數(shù)組）的每一項與頁表中的頁目錄項和頁表項有無對應(yīng)關(guān)系？如果有，其對應(yīng)關(guān)系是啥？答：Page結(jié)構(gòu)體與物理頁一一對應(yīng)，pte2page