2023年操作系統(tǒng)lab2實驗報告

湖泊大掌HunanUNIVERSITY操作系統(tǒng)實驗報告400//設(shè)置頁目錄項內(nèi)容401*pdep=pa|PTEU|PTE_W|PTEP;402)403//返回頁表地址404return&{(pte_t*)KADDR(PDE_ADDR(*pdep)))(PTX(la)];405)問題解答：(1)請描述頁目錄項(PagDirectorEntry)和頁表(PageTab1eEntry)中每個組成部分的含義和以及對ucore而言的潛在用處。答：高2()位表達下一級頁表(或物理頁表)的基址(4K對齊)，后12位為標志位，分別為從低位起第0~6位為ucore內(nèi)核占用，表達指向的下一級頁面的某些特性(是否存在、是否可寫……)；/*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.對于PDE,第7位表達假如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()；第9位供內(nèi)核以外的軟件使用。(2)假如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？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，假如沒有的話，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，并檢杳存取與保護是否一致。假如不一致，向進程發(fā)出一個信號或殺掉該進程。假如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。假如沒有空閑頁框,執(zhí)行頁面置換算法尋找一個頁面來淘汰。5）假如選擇的頁框"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，讓其他進程運營直至磁盤傳輸結(jié)束。無論如何，該頁框被標記為忙，以免由于其他因素而被其他進程占用。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，并且假如有其他可運營的用戶進程，則選擇另一個用戶進程運營。7）當磁盤中斷發(fā)生時,表白該頁已經(jīng)被裝入，蟲表已經(jīng)更新可以反映它的位置，蟲框也被標記為正常狀態(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3:釋放某虛地址所在的頁并取消相應(yīng)二級頁表項的映射（需要編程）當釋放一個包含某虛地址的物理內(nèi)存頁時，需要讓相應(yīng)此物理內(nèi)存頁的管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Page做相關(guān)的清除解決，使得此物理內(nèi)存頁成為空閑;此外還需把表達虛地址與物理地址相應(yīng)關(guān)系的二級頁表項清除。請仔細查看和理解page_removepte函數(shù)中的注釋。為此，需要補全在kern/mm/pmm.c?PKpageremove_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相應(yīng)關(guān)系？假如有，其相應(yīng)關(guān)系是啥？假如希望虛擬地址與物理地址相等，則需要如何修改lab2,完畢此事？解答：分析思緒：使用pte2page宏即可得到從頁表項得到相應(yīng)的物理頁面所相應(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)，假如僅僅被引用一次,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.環(huán)節(jié):(1)在頁表存在情況卜；運用Pte2page得到從頁表項得到相應(yīng)的物理頁面所相應(yīng)的Page結(jié)構(gòu)體;(2)判斷此頁被引用的次數(shù)；(3)假如僅僅被引用一次，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):423//參數(shù)是一級頁表的起始地址，線性地址，二級頁表對應(yīng)的物理頁424staticinlinevoid425pageremovepte(pdet*pgdir,uintptrtla,ptet*ptep){451451452453454455456457458459460461462463)451452453454455451452453454455456457458459460461462463)〃從頁表項得到對應(yīng)的物理頁所對應(yīng)的Page結(jié)構(gòu)體structPage*page=pte2page(*ptep);//判斷此頁是否多次被引用if(pagerefdec(page)==0){freepage(page);}*ptep=0;//使得TLB無效，清除二級頁表項tlbinvalidate(pgdir,la);)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相應(yīng)關(guān)系?假如有，其相應(yīng)關(guān)系是啥？答：Page結(jié)構(gòu)體與物理頁??相應(yīng)，pte2page函數(shù)從頁表項找到相應(yīng)物理頁的Page結(jié)構(gòu)體:105staticinlinestructPage*106pte2page(ptetpte){107if(!(pte&PTE_P)){108panic("pte2pagecalledwithinvalidpte");109}110returnpa2page(PTEADDR(pte));111)即Page結(jié)構(gòu)體和相應(yīng)物理頁的起始地址相應(yīng)。⑵假如希望虛擬地址與物理地址相等,則需要如何修改lab2,完畢此事?答：通過1d工具形成的ucore的起始虛擬地址從0xC0100000開始，而boolloader把ucore放在了起始物理地址為0x100000的物理內(nèi)存空間。要使得虛擬地址與物理地址相等：一方面更改KERNBASE,從0x0）00000到0x00000000,因素在于在沒有啟動頁式地址轉(zhuǎn)換前，內(nèi)核邏輯地址通過一次段地址轉(zhuǎn)換即直接得到物理地址：PA（物理地址）=LA（線性地址）=VA（邏輯地址）一KERNBASE;另一方面,虛擬地址由OxCOlOOOOO改成0x00100000o運營結(jié)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、實驗體會本實驗是關(guān)于物理內(nèi)存管理，重要從物理內(nèi)存和建立頁表兩個方面設(shè)計實驗，一方面了解如何發(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，最后了解頁表相關(guān)的操作總體來說還是有難度，特別后面需要編程的內(nèi)容需要很好理解各個文獻的代碼,參考答案進行分析，才干更好的理解實驗內(nèi)涵，通過實驗也能進一步理解段頁式內(nèi)存管理機制，對上課的內(nèi)容有了更深理解體會。目錄一、內(nèi)容。錯誤!未定義書簽。二、目的。錯誤!未定義書簽。三、實驗設(shè)計思想和練習題。錯誤!未定義書簽。練習0：填寫已有實驗錯誤!未定義書簽。練習1：實現(xiàn)first-fit連續(xù)物理內(nèi)存分派算法（需要編程）.錯誤!未定義書簽。練習2：實現(xiàn)尋找虛擬地址相應(yīng)的頁表項（需要編程）。錯誤!未定義書簽。練習3:釋放某虛地址所在的頁并取消相應(yīng)二級頁表項的映射（需要編程）錯誤!未定義書簽。運營結(jié)果錯誤!未定義書簽。四、實驗體會錯誤!未定義書簽。一、內(nèi)容本次實驗包含三個部分。一方面了解如何發(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、目的.理解基于段頁式內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換機制；.理解頁表的建立和使用方法；.理解物理內(nèi)存的管理方法。三、實驗設(shè)計思想和練習題練習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L實現(xiàn)first-fit連續(xù)物理內(nèi)存分派算法(需要編程)在實現(xiàn)firstfit內(nèi)存分派算法的回收函數(shù)時，要考慮地址連續(xù)的空閑塊之間的合并操作。提醒: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。也許會修改default.pmm.c中的default_init,defau1t_init_memmap,defau1t_a1loc_pages,default_free_pages等相關(guān)函數(shù)。請仔細查看和理解defaultpmm.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。請歸I答如下問題：你的firstfit算法是否有進一步的改善空間。解答：分析思緒：(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

A.每個物理頁運川一個Page結(jié)構(gòu)體表達,查看kern/mm/memlayout.h涉及: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，bit0設(shè)立為1,即為“被保存”項，bit1設(shè)立為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」ink:將多個連續(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。[-/moocos/ucorelab/labcodes/lab2/kern/mm]vimmemlayout.hstructPage{intref;intref;uint32_tflags;tusofthepageframeunsignedintproperty;fitpmmanagerlistentrytpagelink;}；//arrayofflagsthatdescribethesta//thenumoffreeblock,usedinfirst//freelistlinkB.所有的連續(xù)內(nèi)存空閑塊可用一個雙向鏈表管理，運用一個frco_area_t結(jié)構(gòu)體表達，查看korn/mm/memlayout.h涉及：1ist_entry：雙向鏈表指針，指向空閑的物理頁;nr_free：記錄當前空閑頁的個數(shù)的無符號整形變量。typedefstruct{listentrytfreelist;//thelistheaderunsignedintnr_free;//#offreepagesinthisfreelist}freeareat;(2)連續(xù)物理內(nèi)存分派思緒：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，這是一種速度不久的算法，由于它盡也許少地搜索鏈表。假如空閑區(qū)域的大小和申請分派的大小正好同樣，則把這個空閑區(qū)域分派出去，成功返回；否則將該空閑區(qū)分為兩部分，一部分區(qū)域與申請分派的大小相等，把它分派出去,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)計思緒是把這塊區(qū)域重新放回雙向鏈表中。(3)具體設(shè)計:kern_init-->pmm_init-->page_init-->init_memmap-->pmm_manager->init_memmap.bootloader進行探測物理格局后，運用kern_entry()函數(shù)設(shè)立堆棧，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，()函數(shù)完畢物理內(nèi)存的管理，假定page_iniI()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)的空閑塊的起始貝，負個數(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,鏈表項設(shè)Page的base->pagelinko代碼分析：(Odefault_initmemmap:用于構(gòu)建空閑頁鏈表；A.環(huán)節(jié):(1)初始化每一個空閑頁，注意使用頭插法是由于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)：.default_pcnm.cx6768〃參數(shù)是某個連續(xù)的空閑塊的起始頁，頁個數(shù)69staticvoiddefault_init_memmap(structPage*base,size_tn){〃保證分配不會超出品闡，Z即報錯保證魯棒性assert(n>0);structPage*p=base;for(;p!=base+n;p++){〃檢查此頁是否為保留頁assert(PageReserved(p));//設(shè)置標志位，將PG_reserved置0,初始化內(nèi)存空閑塊大小p->flags=p->property=0;SetPageProperty(p);//清零此頁的引用計數(shù)setpageref(pr0);//使用頭插法將空閑頁插入到鏈表list_add_before|(&freelistr&(p->page_link));)//firstblock//計算空閑頁總數(shù)base->property=n;nr_free+=n;)(2)default_a11oc_pages：用于為進程分派空閑頁；A.環(huán)節(jié)：。(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)假如找到,獲得指向分派的頁,重新設(shè)立標志位,從空閑徒表中刪除此頁；(3)判斷空閑塊大小是否合適；(4)假如合適，不操作;假如不合適，分割頁塊；(5)計算剩余空閑頁個數(shù)，返回分派的頁塊地址。B.具體實現(xiàn)：defaultjxnm.cx90//參數(shù)是頁的個數(shù)staticstructPage*defaultallocpages(size_tn){//保證分配不會超出范圍，立即報錯保證魯棒性assert(n>0);if(n>nrfree){returnNULL;}listentryt*le,*len;//從空閑鏈表”開始查找最小的地址le=&freelist;100101//通過list_next找到下一個空閑塊元素102while((le=listnext(le))!=&freelist){103//通過le2page宏根據(jù)鏈表元素獲得對應(yīng)的Page指針p104structPage*p=le2page(le,pagelink);105〃判斷空閑塊大小，找到合適大小的頁塊一106if(p->property>=n){107inti;108for(i=0;i<n;i++){109len=listnext(le);110〃讓pp指向分配的那一頁，le2page宏根據(jù)鏈表元素獲得對應(yīng)Page的指針p111structPage*pp=Le2page(le,pagelink);112//設(shè)置每一頁的標志位113SetPageReserved(pp);114ClearPageProperty(pp);115//從空閑鏈表在中刪除此頁116listdel(le);117le=len;118)119//需要分割的頁塊進行分割120if(p->property>n){121(Le2pageCle,pagelink))->property=p->property-n;122)123//第一頁重置標志位124ClearPageProperty(p);125SetPageReserved(p);126〃計算剩余空閑頁個數(shù)，返回分配的頁塊地址127nrfree-=n;128returnp;129}130}131returnNULL;132)注：算法改善空間：第一頁重置標志位操作被注釋后，仍然可以編譯運營。(3)default_frec_pages:用于釋放已經(jīng)使用完的頁，使其合并到frec」ist中；A.環(huán)節(jié)：

(1)在free_list中查找合適位置，用以插入；(2)改變被釋放頁的標志位flags及計數(shù)器ref；(3)在free」ist中向高地址或第地址合并。B.具體實現(xiàn)：134//參數(shù)是某個連續(xù)的空閑塊的起始頁，頁個數(shù)|135staticvoiddefaultfreepages(structPage*base,size_tn){136〃保證分配不會超出范圍，金即報錯保證魯棒性137assert(n>0);138assert(PageReserved(base));1390123456789〃查找該插入的位置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個頁，設(shè)置標志位150for(p=base;p<base+n;p++){151listaddbefore(lef&(p->pagelink));152base->flags=0;153setpageref(base,0);154ClearPageProperty(base);155SetPageProperty(base);156}157〃將頁塊大小記錄在鏈表頭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)練習2:實現(xiàn)尋找虛擬地址相應(yīng)的頁表項(需要編程)通過設(shè)立頁表和相應(yīng)的頁表項,可建立虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址的相應(yīng)關(guān)系。其中的get_pte函數(shù)是設(shè)立頁表項環(huán)節(jié)中的一個重要環(huán)節(jié)。此函數(shù)找到一個虛地址相應(yīng)的二級頁表項的內(nèi)核虛地址，假如此二級頁表項不存在，則分派一個包含此項的二級頁表。本練習需要補全get—pt。函數(shù)inkern/mm/pmm.c,實現(xiàn)其功能。請回答如卜問題：請描述頁目錄項(PagDirectorEnIry)和頁表(PageTableEntry)中每個組成部分的含義和以及對ucore而言的潛在用處。假如uc。re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：分析思緒：pde_t為pagedirectoryentry,也就是一級頁表的表項。Pte_t為pagetableentry,表達二級頁表的表項。uintptr_t表達為線性地址，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)給出頁表起始地址。通過查找這個頁表,我們需要給出