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mit6.828 - lab2笔记

news/2024/10/5 19:09:43

目标：重点学习内存管理的相关知识，包括内存布局、页表结构、页映射
任务：完成内存管理的相关代码
lab2中，完全可以跟着实验手册的节奏走，逐步完善内存管理的代码。

环境准备：

实验 2 包含以下新的源文件：

inc/memlayout.h
kern/pmap.c
kern/pmap.h
kern/kclock.h
kern/kclock.c

memlayout.h 和 pmap.h 定义了 PageInfo 结构，用于跟踪哪些物理内存页是空闲的。
kclock.c 和 kclock.h 操作 PC 的电池时钟和 CMOS RAM 硬件，其中 BIOS 记录了 PC 所含的物理内存量等信息。
pmap.c 中的代码需要读取这些设备硬件，以计算出物理内存的容量，但这部分代码已经为你完成：你不需要了解 CMOS 硬件工作的细节。
请特别注意 memlayout.h 和 pmap.h，因为本实验要求您使用并理解其中包含的许多定义。您可能还需要查看 inc/mmu.h，因为其中包含的许多定义对本实验也很有用。

Part1：物存管理（练习1）

操作系统必须跟踪物理内存中哪些是空闲内存，哪些是当前正在使用的内存。JOS 以页面粒度管理 PC 的物理内存，这样它就可以使用 MMU 来映射和保护每一块已分配的内存。

现在你将编写物理页面分配器。它通过 struct PageInfo 对象的链表来跟踪哪些页面是空闲的，每个对象对应一个物理页面。我们要做的就是通过 PageInfo链表，实现对物理内存的申请、释放。

练习 1. 在 kern/pmap.c 文件中，您必须实现以下函数的代码（可能按照给出的顺序）。
boot_alloc()
mem_init()（只调用到 check_page_free_list(1)）。
page_init()
page_alloc()
page_free()
check_page_free_list() 和 check_page_alloc() 对物理页面分配器进行测试。你应该启动 JOS 并查看 check_page_alloc() 是否报告成功。修改代码，使其通过测试。你可能会发现添加自己的 assert()s 来验证你的假设是否正确很有帮助。

在这里我们可以先浏览一遍 mem_init

mem_init

mem_init 是用来初始化内存管理的函数。物存管理的部分在前面被处理，大致工作流程为：

获取硬件信息，内存有多大，i386_detect_memory();
初始化页目录 kern_pgdir
初始化pages数组


// Set up a two-level page table:
//    kern_pgdir is its linear (virtual) address of the root
//
// This function only sets up the kernel part of the address space
// (ie. addresses >= UTOP).  The user part of the address space
// will be set up later.
//
// From UTOP to ULIM, the user is allowed to read but not write.
// Above ULIM the user cannot read or write.
void
mem_init(void)
{uint32_t cr0;size_t n;// Find out how much memory the machine has (npages & npages_basemem).i386_detect_memory();// Remove this line when you're ready to test this function.// panic("mem_init: This function is not finished\n");//////////////////////////////////////////////////////////////////////// create initial page directory.kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);memset(kern_pgdir, 0, PGSIZE);//////////////////////////////////////////////////////////////////////// Recursively insert PD in itself as a page table, to form// a virtual page table at virtual address UVPT.// (For now, you don't have understand the greater purpose of the// following line.)// Permissions: kernel R, user Rkern_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(kern_pgdir) | PTE_U | PTE_P;//////////////////////////////////////////////////////////////////////// Allocate an array of npages 'struct PageInfo's and store it in 'pages'.// The kernel uses this array to keep track of physical pages: for// each physical page, there is a corresponding struct PageInfo in this// array.  'npages' is the number of physical pages in memory.  Use memset// to initialize all fields of each struct PageInfo to 0.// Your code goes here:pages =(struct PageInfo *) boot_alloc(sizeof(struct PageInfo)*npages);memset(pages, 0, sizeof(struct PageInfo) * npages);//////////////////////////////////////////////////////////////////////// Now that we've allocated the initial kernel data structures, we set// up the list of free physical pages. Once we've done so, all further// memory management will go through the page_* functions. In// particular, we can now map memory using boot_map_region// or page_insertpage_init();check_page_free_list(1);check_page_alloc();check_page();//....
}

boot_alloc

只在初始化时使用，确定申请n子节内存后后，空闲内存的首地址（虚拟内存空间）是多少

static void *
boot_alloc(uint32_t n)
{static char *nextfree;	// virtual address of next byte of free memorychar *result;if (!nextfree) {extern char end[];nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);}// Allocate a chunk large enough to hold 'n' bytes, then update// nextfree.  Make sure nextfree is kept aligned// to a multiple of PGSIZE.result = nextfree;nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);return result;
}

struct PageInfo

先来看看 PageInfo 这个结构体，这个注释真棒。

/** 页面描述符结构，映射到 UPAGES。* 内核可读写，用户程序只读。** 每个结构 PageInfo 保存一个物理页面的元数据。*  它不是物理页面本身，但物理页面和结构 PageInfo 之间有一一对应的关系。* 您可以使用 kern/pmap.h 中的 page2pa() 将结构 PageInfo * 映射到相应的物理地址。*/
struct PageInfo {//空闲列表中的下一页。struct PageInfo *pp_link;// pp_ref 是指向此页的指针（通常是页表条目）的计数。// 对于使用 page_alloc 分配的页面，pp_ref 是指向该页面的指针计数（通常在页表项中）。// 在启动时使用 pmap.c 的boot_alloc 分配的页面没有有效的引用计数字段。uint16_t pp_ref;
}

如注释所述， PageInfo 和物理内存是一一对应的，一个PageInfo 对应一页物理内存（4KB)，可以从 page2pa 这个映射函数中看出来

对于一个物理地址 pa ，将其右移 12 位，然后就可以作为 pages 数组的下标了。
也就是说 :
pages[0] 对应 pa 0x0000_0000 到 0x0000_1000
pages[1] 对应 pa 0x0000_1000 到 0x0000_2000

pmap.h 中还有很多好用的函数和宏，除了这个 pa2page 还有 PADDR、KADDR等，可以先看一看，理解下。

理解了 struct PageInfo 的结构和映射方法，可以来看 page_init 了。

page_init

page_init 初始化了 pages 数组，注释给的相当详尽了。这里直接给出答案，可以参照 lab1笔记中的内存布局和 memlayout.h 中关于 IOPHYSMEM、EXTPHYSMEM 的定义写

//  初始化页面结构和内存空闲列表。
// 完成后，永远不要再使用 boot_alloc。 只使用下面的页面分配器函数来分配和取消分配物理内存。
// 通过 page_free_list 分配和删除物理内存。
//
void
page_init(void)
{// 这里的示例代码将所有物理页面标记为空闲。// 但实际情况并非如此。 哪些内存是空闲的？//  1) 将物理页 0 标记为使用中。//     这样，我们就可以保留实际模式 IDT 和 BIOS 结构，以备不时之需。 (目前还不需要，但是......）。//     //  2) 其余的基本内存 [PGSIZE, npages_basemem * PGSIZE)是空闲的。//     //  3) 然后是 IO 孔 [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)，它必须永远不会被分配。//     //  4) 然后是扩展内存 [EXTPHYSMEM, ...)  其中一些在使用中，一些是空闲的。//     内核在物理内存的哪里？哪些物理页已经用于页表和其他数据结构？//     //     //// 修改代码以反映这一点。// 注意：切勿实际触及与空闲页面对应的物理内存！// size_t i;//物理页 0 标记为使用中pages[0].pp_ref = 1;for(int i = 1; i<PGNUM(IOPHYSMEM); i++){pages[i].pp_ref = 0;pages[i].pp_link = page_free_list;page_free_list = &pages[i];}//然后是 IO 孔 [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)，它必须永远不会被分配。for(int i = PGNUM(IOPHYSMEM); i<PGNUM(EXTPHYSMEM); i++){pages[i].pp_ref = 1;}//获取当前空闲的内存首地址 cur_free_paddr（物理内存）physaddr_t cur_free_paddr = PADDR(boot_alloc(0));//[EXTPHYSMEM, cur_free_paddr) 中的扩展内存在使用中for(int i = PGNUM(EXTPHYSMEM); i<PGNUM(cur_free_paddr); i++){pages[i].pp_ref = 1;}//[cur_free_paddr, ...] 之后的物理内存目前是空闲的for(int i = PGNUM(cur_free_paddr); i<npages; i++){pages[i].pp_ref = 0;pages[i].pp_link = page_free_list;page_free_list = &pages[i];}
}

如图，深蓝色部分应当被标记为已经占用

page_alloc

从pageinfo 空闲链表中摘下一个，并返回，细节见注释：

//
// 分配一个物理页面。 如果（alloc_flags & ALLOC_ZERO），则用“\0 ”字节填充返回的整个物理页
// 不要增加页的引用，page_alloc 的调用者负责增加页面的引用（显式地或通过 page_insert）。//
// 务必将已分配页面的 pp_link 字段设置为 NULL，以便page_free 可以检查是否存在双重引用。
// 
//
// 如果没有可用内存，则返回 NULL。
//
// Hint: use page2kva and memset
struct PageInfo *
page_alloc(int alloc_flags)
{// Fill this function inif(page_free_list == NULL){return NULL;}//取出一个空闲 pageinfostruct PageInfo * pp = page_free_list;page_free_list = page_free_list->pp_link;pp->pp_link = NULL;//置零if(alloc_flags & ALLOC_ZERO){void* pp_kv = page2kva(pp);memset(pp_kv, 0, PGSIZE);}return pp;
}

page_free

//
// 返回一个页面到空闲列表。
// （只有当 pp->pp_ref 达到 0 时才调用此函数）。
//
void
page_free(struct PageInfo *pp)
{//  填充此函数// Hint: You may want to panic if pp->pp_ref is nonzero or// pp->pp_link is not NULL.if(pp->pp_ref != 0 || pp->pp_link != NULL){panic("page_free: pp->pp_ref is nonzero or pp->pp_link is not NULL.");}pp->pp_link = page_free_list;page_free_list = pp;
}

到此为止，练习1就算完成了，然后测试一下