分存储器管理

1、实验7分页存储器管理实验性质：验证设计建议学时： 2学时一、实验目的学习i386处理器的二级页表硬件机制，理解分页存储器管理原理。查看E0应用程序进程和系统进程的二级页表映射信息，理解页目录和 页表的管理方式。编程修改页目录和页表的映射关系，理解分页地址变换原理。二、预备知识阅读本书第6章。了解i386处理器的二级页表硬件机制，EOSt作系统的 分页存储器管理方式，以及进程地址空间的内存分布。三、实验内容3.1 准备实验按照下面的步骤准备本次实验：1. 启动 OS Lab。2. 新建一个E0应用程序工程。3.2查看EOSS用程序进程的页目录和页表使用OSLab翻开本实验文件夹中的memory.

2、c和getcr3.asm文件将文件 拖动到OSLab窗口中释放即可翻开。仔细阅读这两个文件中的源代码和注 释，main函数的流程图可以参见图16-1。按照下面的步骤查看EO应用程序进程的页目录和页表：1. 使用memory.c文件中的源代码替换之前创立的EO应用程序工程中 EOSApp .文件中的源代码。2. 右键点击“工程管理器窗口中的“源文件文件夹节点，在弹出的快捷菜单中选择“添加中的“添加新文件。3. 在弹出的“添加新文件对话框中选择“ asm 源文件模板。4. 在“名称中输入文件名称“ func 。5. 点击“添加按钮添加并自动翻开文件 func.asm 。6. 将getcr3.asm

3、文件中的源代码复制到func.asm文件中。7. 按F7生成修改后的E0应用程序工程。8. 按F5启动调试。9. 应用程序执行的过程中，会将该进程的二级页表映射信息输出到虚拟机窗口和OS Lab “输出窗口中，输出内容如图16-2 a。10. 将“输出窗口中的内容复制到一个文本文件中。图16-2 : aEOS应用程序进程的二级页表映射信息 b有应用程序进程时，系统进程的二级页表映射信息图16-2a中第一行是CR存放器的值，也就是页目录所在的页框号。 第一列是页目录中有效的PDE第二列是PD映射的页表中有效的PTE详细 的格式可以参考源代码中的注释。注意，在标号为 0x200的PDE寸应的页表

4、中，所有的1024个PT睹E是有效的，所以在图中省略了一局部。根据图16-2 a答复下面的问题： 应用程序进程的页目录和页表一共占用了几个物理页？页框号分别是 多少？映射用户地址空间低2G的页表的页框号是多少？该页表有几个有效 的PTE或者说有几个物理页用来装载应用程序的代码、数据和堆栈？页框 号分别是多少？3.3 查看应用程序进程和系统进程并发时的页目录和页表需要对EO应用程序进行一些修改：1. 结束之前的调试。2. 取消EOSApp第121行语句的注释该行语句会等待10秒3. 按F7生成修改后的EO应用程序工程。4. 按F5启动调试。5. 在“Console-1 中会自动执行EOSApp.

5、exe创立该应用程序进程。 利用其等待 10秒的时间，按 Ctrl+F2 切换到“ Console-2 。6. 在“Console-2 中输入命令“ mr后按回车，会将系统进程的二级 页表映射信息输出到虚拟机窗口和 OSLab的“输出窗口，输出内容如 图16-2 b。注意，在图16-2 b中添加了一些空行，方便与图16-2a比拟。“ Co nsole-1 中的应用程序在等待10秒后，又会输出和图16-2 a 致的内容。7. 将“输出窗口中的内容复制到一个文本文件中。控制台命令“ m对应的源代码在EOS内核工程ke/sysproc.c文件的 ConsoleCmdMemoryMa函数中第382行。

6、阅读这局部源代码后会发现，其 与EOSApp.文件中的源代码根本类似。结合图16-2 3和b答复下面的问题：EO启动后系统进程是一直运行的，所以当创立应用程序进程后，系统 中就同时存在了两个进程， 这两个进程是否有各自的页目录？在页目录映射 的页表中，哪些是独占的，哪些是共享的？分析其中的原因。统计当应用程序进程和系统进程并发时，总共有多少物理页被占用？应用程序结束后，在“ Console-1 中再次输入命令“ m，查看在没 有应用程序进程时，系统进程的页目录和页表。将“输出窗口中的内容复 制到一个文本文件中。将输出的内容与图16-2 b比拟，思考为什么系统 进程即内核地址空间占用的物理页会减

7、少？提示：创立应用程序进程 时，EO内核要为其创立PCB应用程序结束时，内核要释放PC占用的内存。3.4 查看应用程序进程并发时的页目录和页表需要对E0应用程序进行一些修改:1. 结束之前的调试。2. 取消EOSApp第201行语句的注释该行语句会等待10秒。3. 按F7生成修改后的EO应用程序工程。4. 按F5启动调试。5. 在“Console-1 中会自动执行EOSApp.exe创立该应用程序进程。利用其等待 10秒的时间，按 Ctrl+F2 切换到“ Console-2 。6. 在“Console-2 中输入“eosapp后按回车，再执行一个EOSApp.exe7. 由EOSApp.ex

8、创立的两个并发进程会先后在各自的控制台和 OS Lab “输出窗口中，输出各自的二级页表映射信息。 输出的内容如图 16-3。8. 将“输出窗口中的内容复制到一个文本文件中。图16-3 :a应用程序进程1的二级页表映射信息 b应用程序进程2的二级页表映射信息结合图16-3 3和b答复下面的问题：观察这两个进程的用户地址空间，可以得出结论：同一个应用程序创立 的两个并发的进程，它们的用户虚拟地址空间完全相同，而映射的物理页完 全不同，从而保证相同的行为执行过程可以在独立的空间内完成。 假 设进程1的0x41E和0x41F物理页保存了应用程序的可执行代码，由于可执行 代码是不变的、只读的，现在假设

9、优化过的EOSfc许进程2共享进程1的保存了可执行代码的物理页，尝试结合图 1 6-3写出此时进程 2用户地址空间的映 射信息。并说明共享可执行代码的物理页能带来哪些好处。统计当两个应用程序进程并发时，总共有多少物理页被占用？有更多的 进程同时运行呢？根据之前的操作方式， 尝试在更多的控制台中启动应用程 序来验证自己的想法。如果进程的数量足够多，物理内存是否会用尽，如何 解决该问题？3.5 在二级页表中映射新申请的物理页下面通过编程的方式，从EO操作系统内核中申请两个未用的物理页， 将第一个物理页当作页表，映射基址为 OxEOOOOOOQ的4M虚拟地址空间，然后 将第二个物理页分别映射到基址为

10、 OxEOOOOOOC和OXEOOO1OO0勺4K虚拟地址 空间。从而验证下面的结论：虽然进程可以访问4G虚拟地址空间，但是只有当一个虚拟地址通过二级 页表映射关系能够映射到实际的物理地址时，该虚拟地址才能够被访问，否 那么会触发异常。所有未用的物理页都是由E0操作系统内核统一管理的，使用时必须向 内核申请。为虚拟地址映射物理页时，必须首先为页目录安装页表，然后再为页表 安装物理页。并且只有在刷新快表后，对页目录和页表的更改才能生效。不同的虚拟地址可以映射相同的物理页，从而实现共享。 首先验证第一个结论：1. 新建一个 EOS Kernel 工程。2. 从“工程管理器翻开 ke/sysproc

11、.c 文件。3. 翻开本实验文件夹中的MapNewPage文件将文件拖动到OS Lab窗 口中释放即可。4. 在sysproc.c文件的ConsoleCmdMemoryMap数中找到“关中断的代码行第413行，将MapNewPage.文件中的代码插入到“关中断 代码行的后面。5. 按F7生成该内核工程。6. 按F5启动调试。7. 在EO控制台中输入命令“ mr后按回车8. OS Lab 会弹出一个调试异常对话框，选择“是调试异常9. 黄色箭头指向访问虚拟地址OxEOOOO000的代码行。由于该虚拟地址没有映射物理内存图 16-2和图 16-3中都未映射该虚拟地址，所以对 该虚拟地址的访问会触发

12、异常。10. 结束此次调试，然后删除或者注释会触发异常的该行代码。 按照下面的步骤验证其它结论：1. 按F7生成该内核工程。2. 按F5启动调试。3. 在EO控制台中输入命令“ mr后按回车。4. 在OS Lab的“输出窗口中查看执行的结果，并将“输出窗口中的内容复制到一个文本文件中。结合插入的源代码和执行的结果理解上面的结论。注意，在代码中修改 了虚拟地址0xE0000000处的内存的值，然后从虚拟地址0xE0001000处读取 到了相同的值，原因是这两处虚拟地址映射到了相同的物理页。四、思考与练习1. 观察之前输出的页目录和页表的映射关系，可以看到页目录的第0x300个PD映射的页框号就是

13、页目录本身，说明页目录被复用为了页 表。而恰恰就是这种映射关系决定了 4K的页目录映射在虚拟地址空间的 0xC0300000-0xC0300FFF,4的页表映射在 0xC0000000-0xC03FFFFF 现 在，假设修改了页目录，使其第0x100个PD映射的页框号是页目录本身， 此时页目录和页表会映射在4G虚拟地址空间的什么位置呢？说明计算 方法。2. 修改EOSApp.中的源代码，通过编程的方式统计并输出用户地址空 间占用的内存数目。3. 修改EOSApp.中的源代码，通过编程的方式统计并输出页目录和页 表的数目。注意页目录被复用为页表。4. 在E0启动时，软盘引导扇区被加载到从0X7C0C开始的512个字节的 物理内存中，计算一下其所在的物理页框号，然后根据物理内存与虚拟 内存的映射关系得到其所在的虚拟地址。修改 EOSApp.中的源代码，尝 试将软盘引导扇区所在虚拟地址的 512个字节值打印出来，与 boot.lst 文件中的指令字节码进行比拟，验证计算的虚拟地址是否正确。5. 既然所有1024个页表共4M映射在虚拟地址空间的 0xC0000000