2023年操作系统lab2实验报告

湖泊大掌HunanUNIVERSITY操作系统实验报告400//设置页目录项内容401*pdep=pa|PTEU|PTE_W|PTEP;402)403//返回页表地址404return&{(pte_t*)KADDR(PDE_ADDR(*pdep)))(PTX(la)];405)问题解答：(1)请描述页目录项(PagDirectorEntry)和页表(PageTab1eEntry)中每个组成部分的含义和以及对ucore而言的潜在用处。答：高2()位表达下一级页表(或物理页表)的基址(4K对齐)，后12位为标志位，分别为从低位起第0~6位为ucore内核占用，表达指向的下一级页面的某些特性(是否存在、是否可写……)；/*pagetable/directoryentryflags*/#definePTE_P0X001//PresentsdefinePTE_W0x002//Writeable#definePTE_U0x004//User/definePTE_PVrr0x008//Write-ThroughsdefinePTE_PCD0x010//Cache-Disable二definePTE_A0x020//Accessed^definePTE_D0x040//Dirty#definePTE_PS0x080//PageSize#definePTEJ1BZ0x180//BitsmustbezeroadefinePTE_AVAIL0xE00//Availableforsoftwareuse//ThePTE_AVAILbitsaren'tusedbythekernelor,interpretedbythe//hardware,souserprocessesareallowedtosetthemarbitrarily.对于PDE,第7位表达假如pde的PTE_PS位为1,那么pde中所存的就不是下一级页表，而是一张4M页的起始地址;对于PTE,第7、8位强制位()；第9位供内核以外的软件使用。(2)假如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？答：出现页访问异常会触发缺页中断，缺页中断发生时的事件顺序如下：1)硬件陷入内核，在内核堆栈中保存程序计数器。大多数机器将当前指令的各种状态信息保存在特殊的CPU寄存器中。2)启动一个汇编代码例程保存通用寄存器和其他易失的信息，以免被操作系统破坏。3)当操作系统发现一个缺页中断时，尝试发现需要哪个虚拟页面。通常一个硬件寄存器包含了这一信息，假如没有的话，操作系统必须检索程序计数器，取出这条指令，用软件分析这条指令，看看它在缺页中断时正在做什么。4）一旦知道了发生缺页中断的虚拟地址,操作系统检查这个地址是否有效，并检杳存取与保护是否一致。假如不一致，向进程发出一个信号或杀掉该进程。假如地址有效且没有保护错误发生，系统则检查是否有空闲页框。假如没有空闲页框,执行页面置换算法寻找一个页面来淘汰。5）假如选择的页框"脏''了，安排该页写回磁盘，并发生一次上下文切换，挂起产生缺页中断的进程，让其他进程运营直至磁盘传输结束。无论如何，该页框被标记为忙，以免由于其他因素而被其他进程占用。6）一旦页框“干净”后（无论是立刻还是在写回磁盘后），操作系统查找所需页面在磁盘上的地址，通过磁盘操作将其装入。该页面被装入后，产生缺页中断的进程仍然被挂起，并且假如有其他可运营的用户进程，则选择另一个用户进程运营。7）当磁盘中断发生时,表白该页已经被装入，虫表已经更新可以反映它的位置，虫框也被标记为正常状态。8）恢复发生缺页中断指令以前的状态，程序计数器重新指向这条指令。9）调度引发缺页中断的进程,操作系统返回调用它的汇编语言。10）该例程恢复寄存器和其他状态信息。练习3:释放某虚地址所在的页并取消相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，需要让相应此物理内存页的管理数据结构Page做相关的清除解决，使得此物理内存页成为空闲;此外还需把表达虚地址与物理地址相应关系的二级页表项清除。请仔细查看和理解page_removepte函数中的注释。为此，需要补全在kern/mm/pmm.c•PKpageremove_pte函数。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和页表项有无相应关系？假如有，其相应关系是啥？假如希望虚拟地址与物理地址相等，则需要如何修改lab2,完毕此事？解答：分析思绪：使用pte2page宏即可得到从页表项得到相应的物理页面所相应的Page结构体。得到结构体后，判断此页被引用的次数，假如仅仅被引用一次,对页面引用进行更改，降为零则这个页可以被释放。否则，只能释

放页表入口。代码分析：A.环节:(1)在页表存在情况卜；运用Pte2page得到从页表项得到相应的物理页面所相应的Page结构体;(2)判断此页被引用的次数；(3)假如仅仅被引用一次，对页面引用进行更改，降为零则这个页可以被释放:(4)否则，释放页表入口，清除二级页表项。B.具体实现:423//参数是一级页表的起始地址，线性地址，二级页表对应的物理页424staticinlinevoid425pageremovepte(pdet*pgdir,uintptrtla,ptet*ptep){451451452453454455456457458459460461462463)451452453454455451452453454455456457458459460461462463)〃从页表项得到对应的物理页所对应的Page结构体structPage*page=pte2page(*ptep);//判断此页是否多次被引用if(pagerefdec(page)==0){freepage(page);}*ptep=0;//使得TLB无效，清除二级页表项tlbinvalidate(pgdir,la);)问题解答:(1)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和页表项有无相应关系?假如有，其相应关系是啥？答：Page结构体与物理页••相应，pte2page函数从页表项找到相应物理页的Page结构体:105staticinlinestructPage*106pte2page(ptetpte){107if(!(pte&PTE_P)){108panic("pte2pagecalledwithinvalidpte");109}110returnpa2page(PTEADDR(pte));111)即Page结构体和相应物理页的起始地址相应。⑵假如希望虚拟地址与物理地址相等,则需要如何修改lab2,完毕此事?答：通过1d工具形成的ucore的起始虚拟地址从0xC0100000开始，而boolloader把ucore放在了起始物理地址为0x100000的物理内存空间。要使得虚拟地址与物理地址相等：一方面更改KERNBASE,从0x0）00000到0x00000000,因素在于在没有启动页式地址转换前，内核逻辑地址通过一次段地址转换即直接得到物理地址：PA（物理地址）=LA（线性地址）=VA（逻辑地址）一KERNBASE;另一方面,虚拟地址由OxCOlOOOOO改成0x00100000o运营结果©B©QEMUkern/init/init.c：58:grade_backtrace0*23cbp：0xc0116fc8eip：0XC0100128args：OxcO105efc0xc0105ee00xO0000f3Z0x00000000kern/init/init.c：63:grade_backtrace*34ebp:0xcO116ff8eip:0xcOlOO07fargs:0x000000000x00000000OxOOOOffff0x40cf9aO0kern/init/init.c：Z8:kern_init*84memorymanagement:defau1t_pmm_managercBZOmap:memory：00O9fc00,[00000000,0009fbff],type=1.memory:00000400,[0009fc00,0009ffff],type=z.memory：00010000,[00Of0000,OOOfffff],typez.memory：07efe0OO,[00100000,07ffdfff],type=1.memory：00O0Z0OO,[0?ffe000,07ffffff],type=z.memory：00040000,[fffc00O0,ffffffff],type=z.check_a1loc_page()succeeded!check_pgdir()succeeded!check_boot_pgdir()succeeded!kBEGINPDE(0e0)c0000000-f800000038000000urwi—PTE(38000)c0000000-f800000038000000-rwPDE(001)fac00O00-fb00000000400000-rwi—PTE(000e0)faf00000-fafe000O00060000urwPTE(00001)fafebOOO-fafecOOO00001000-rwEND++setuptimerinterrupts四、实验体会本实验是关于物理内存管理，重要从物理内存和建立页表两个方面设计实验，一方面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，最后了解页表相关的操作总体来说还是有难度，特别后面需要编程的内容需要很好理解各个文献的代码,参考答案进行分析，才干更好的理解实验内涵，通过实验也能进一步理解段页式内存管理机制，对上课的内容有了更深理解体会。目录一、内容。错误!未定义书签。二、目的。错误!未定义书签。三、实验设计思想和练习题。错误!未定义书签。练习0：填写已有实验错误!未定义书签。练习1：实现first-fit连续物理内存分派算法（需要编程）.错误!未定义书签。练习2：实现寻找虚拟地址相应的页表项（需要编程）。错误!未定义书签。练习3:释放某虚地址所在的页并取消相应二级页表项的映射（需要编程）错误!未定义书签。运营结果错误!未定义书签。四、实验体会错误!未定义书签。一、内容本次实验包含三个部分。一方面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。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、实验设计思想和练习题练习0：填写已有实验使用eclipse中的diff/merge工具将实验1的代码填入本实验中代码中有“LAB1”的注释相应部分。练习L实现first-fit连续物理内存分派算法(需要编程)在实现firstfit内存分派算法的回收函数时，要考虑地址连续的空闲块之间的合并操作。提醒: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。也许会修改default.pmm.c中的default_init,defau1t_init_memmap,defau1t_a1loc_pages,default_free_pages等相关函数。请仔细查看和理解defaultpmm.c中的注释。请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。请归I答如下问题：你的firstfit算法是否有进一步的改善空间。解答：分析思绪：(1)数据结构:

A.每个物理页运川一个Page结构体表达,查看kern/mm/memlayout.h涉及:ref:引用计数，即映射此物理页的虚拟页个数;flags:描述物理页属性，bit0设立为1,即为“被保存”项，bit1设立为1,即为空闲项;property：记录某连续内存块的大小，即地址连续的空闲页的个数；page」ink:将多个连续内存链接在一起的双向链表指针，即构建双向链接各个Page结构的双向链表。[-/moocos/ucorelab/labcodes/lab2/kern/mm]vimmemlayout.hstructPage{intref;intref;uint32_tflags;tusofthepageframeunsignedintproperty;fitpmmanagerlistentrytpagelink;}；//arrayofflagsthatdescribethesta//thenumoffreeblock,usedinfirst//freelistlinkB.所有的连续内存空闲块可用一个双向链表管理，运用一个frco_area_t结构体表达，查看korn/mm/memlayout.h涉及：1ist_entry：双向链表指针，指向空闲的物理页;nr_free：记录当前空闲页的个数的无符号整形变量。typedefstruct{listentrytfreelist;//thelistheaderunsignedintnr_free;//#offreepagesinthisfreelist}freeareat;(2)连续物理内存分派思绪：物理内存页管理器顺着双向链表进行搜索空闲内存区域，直到找到一个足够大的空闲区域，这是一种速度不久的算法，由于它尽也许少地搜索链表。假如空闲区域的大小和申请分派的大小正好同样，则把这个空闲区域分派出去，成功返回；否则将该空闲区分为两部分，一部分区域与申请分派的大小相等，把它分派出去,剩下的一部分区域形成新的空闲区。其释放内存的设计思绪是把这块区域重新放回双向链表中。(3)具体设计:kern_init-->pmm_init-->page_init-->init_memmap-->pmm_manager->init_memmap.bootloader进行探测物理格局后，运用kern_entry()函数设立堆栈，并临时建立一个段映射关系,调用kern_init()函数输出检查后，()函数完毕物理内存的管理，假定page_iniI()函数是按照地址从小到大的顺序传递连续内存空闲块，根据page_init()函数中传递的参数(某个连续的空闲块的起始贝，负个数)，default,init_memmap()来建立一个连续内存空闲块的双向链表，链表头设free_area.free_list,链表项设Page的base->pagelinko代码分析：(Odefault_initmemmap:用于构建空闲页链表；A.环节:(1)初始化每一个空闲页，注意使用头插法是由于地址是从低到高地址增长;(2)计算空闲页的总数。B.具体实现：.default_pcnm.cx6768〃参数是某个连续的空闲块的起始页，页个数69staticvoiddefault_init_memmap(structPage*base,size_tn){〃保证分配不会超出品阐，Z即报错保证鲁棒性assert(n>0);structPage*p=base;for(;p!=base+n;p++){〃检查此页是否为保留页assert(PageReserved(p));//设置标志位，将PG_reserved置0,初始化内存空闲块大小p->flags=p->property=0;SetPageProperty(p);//清零此页的引用计数setpageref(pr0);//使用头插法将空闲页插入到链表list_add_before|(&freelistr&(p->page_link));)//firstblock//计算空闲页总数base->property=n;nr_free+=n;)(2)default_a11oc_pages：用于为进程分派空闲页；A.环节：。(1)从空闲链表表头开始查找最小的地址，寻找足够大的空闲块；(2)假如找到,获得指向分派的页,重新设立标志位,从空闲徒表中删除此页；(3)判断空闲块大小是否合适；(4)假如合适，不操作;假如不合适，分割页块；(5)计算剩余空闲页个数，返回分派的页块地址。B.具体实现：defaultjxnm.cx90//参数是页的个数staticstructPage*defaultallocpages(size_tn){//保证分配不会超出范围，立即报错保证鲁棒性assert(n>0);if(n>nrfree){returnNULL;}listentryt*le,*len;//从空闲链表”开始查找最小的地址le=&freelist;100101//通过list_next找到下一个空闲块元素102while((le=listnext(le))!=&freelist){103//通过le2page宏根据链表元素获得对应的Page指针p104structPage*p=le2page(le,pagelink);105〃判断空闲块大小，找到合适大小的页块一106if(p->property>=n){107inti;108for(i=0;i<n;i++){109len=listnext(le);110〃让pp指向分配的那一页，le2page宏根据链表元素获得对应Page的指针p111structPage*pp=Le2page(le,pagelink);112//设置每一页的标志位113SetPageReserved(pp);114ClearPageProperty(pp);115//从空闲链表在中删除此页116listdel(le);117le=len;118)119//需要分割的页块进行分割120if(p->property>n){121(Le2pageCle,pagelink))->property=p->property-n;122)123//第一页重置标志位124ClearPageProperty(p);125SetPageReserved(p);126〃计算剩余空闲页个数，返回分配的页块地址127nrfree-=n;128returnp;129}130}131returnNULL;132)注：算法改善空间：第一页重置标志位操作被注释后，仍然可以编译运营。(3)default_frec_pages:用于释放已经使用完的页，使其合并到frec」ist中；A.环节：

(1)在free_list中查找合适位置，用以插入；(2)改变被释放页的标志位flags及计数器ref；(3)在free」ist中向高地址或第地址合并。B.具体实现：134//参数是某个连续的空闲块的起始页，页个数|135staticvoiddefaultfreepages(structPage*base,size_tn){136〃保证分配不会超出范围，金即报错保证鲁棒性137assert(n>0);138assert(PageReserved(base));1390123456789〃查找该插入的位置le0123456789listentryt*le=&freelist;structPage*p;while((le=list_next(le))!=&free_list){p=le2page(le/pagelink);if(p>base){break;))〃向le之前插入n个页，设置标志位150for(p=base;p<base+n;p++){151listaddbefore(lef&(p->pagelink));152base->flags=0;153setpageref(base,0);154ClearPageProperty(base);155SetPageProperty(base);156}157〃将页块大小记录在链表头158base->property=n;159160//向高地址合并161p=le2page(le,pagelink);162if(base+n==p){163base->property+=p->property;164p->property=0;165}678901234666677777678901234666677777111111111le=listprev(&(base->pagelink));p=Le2page(le,pagelink);if(le!=&free_list&&-p==base-l){while(le!=&freelist){if(p->property){p->property+=base->property;base->property=0;break;TOC\o"1-5"\h\z175}176le=listprev(le);177p=Le2page(le,pagelink);178)179}180181nr_free+=n;182return;183)练习2:实现寻找虚拟地址相应的页表项(需要编程)通过设立页表和相应的页表项,可建立虚拟内存地址和物理内存地址的相应关系。其中的get_pte函数是设立页表项环节中的一个重要环节。此函数找到一个虚地址相应的二级页表项的内核虚地址，假如此二级页表项不存在，则分派一个包含此项的二级页表。本练习需要补全get—pt。函数inkern/mm/pmm.c,实现其功能。请回答如卜问题：请描述页目录项(PagDirectorEnIry)和页表(PageTableEntry)中每个组成部分的含义和以及对ucore而言的潜在用处。假如uc。re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？解答：分析思绪：pde_t为pagedirectoryentry,也就是一级页表的表项。Pte_t为pagetableentry,表达二级页表的表项。uintptr_t表达为线性地址，由于段式管理只做直接映射，所以它也是逻辑地址。pgdir(一级页表)给出页表起始地址。通过查找这个页表,我们需要给出