BUAA_OS lab2 难点梳理

BUAA_OS lab2 难点梳理

实验重点

所列出的实验重点为笔者在进行lab2过程中认为需要深刻理解的部分。

1. 进行内存访问的流程

2. 熟悉mips内存映射布局，即理解mmu.h内图

3. 二级页表的理解和实现

以下将参考指导书逻辑，对于重难点进行梳理。

内存访问

首先，简易梳理内存访问流程。

1. TLB根据虚拟地址查找

2. 若存在，在cache中查找；若不存在，按照页表查询，再查cache，更新tlb

3. 若cache命中则ok；若未命中，进行页面替换

内存布局及初始化步骤的理解

lab2主要涉及的内存布局图如下：

• kuseg：用户态可用地址，需要mmu进行地址转换

• kseg0：内核地址，转换不需要mmu，只需要将最高位清0

与内存布局密切相关的，就是初始化部分的各个函数，包括创建二级页表的部分。

我们以mips_vm_init()展开理解初始化的各个步骤。

 1  void mips_vm_init()
 2  {
 3      extern char end[];
 4      extern int mCONTEXT;
 5      extern struct Env *envs;
 6  ​
 7      Pde *pgdir;
 8      u_int n;
 9  ​
10      /* Step 1: Allocate a page for page directory(first level page table). */
11      pgdir = alloc(BY2PG, BY2PG, 1);
12      printf("to memory %x for struct page directory.\n", freemem);
13      mCONTEXT = (int)pgdir;
14  ​
15      boot_pgdir = pgdir;
16  ​
17      /* Step 2: Allocate proper size of physical memory for global array `pages`,
18       * for physical memory management. Then, map virtual address `UPAGES` to
19       * physical address `pages` allocated before. For consideration of alignment,
20       * you should round up the memory size before map. */
21      pages = (struct Page *)alloc(npage * sizeof(struct Page), BY2PG, 1);
22      printf("to memory %x for struct Pages.\n", freemem);
23      n = ROUND(npage * sizeof(struct Page), BY2PG);
24      boot_map_segment(pgdir, UPAGES, n, PADDR(pages), PTE_R);;
25      /* Step 3, Allocate proper size of physical memory for global array `envs`,
26       * for process management. Then map the physical address to `UENVS`. */
27      envs = (struct Env *)alloc(NENV * sizeof(struct Env), BY2PG, 1);
28      n = ROUND(NENV * sizeof(struct Env), BY2PG);
29      boot_map_segment(pgdir, UENVS, n, PADDR(envs), PTE_R);
30  ​
31      printf("pmap.c:\t mips vm init success\n");
32  }

mips_vm_init

• 首先，调用alloc函数为pgdir开出一块空间。在此需要理解，alloc函数的本质就是将freemem上移，以表示预留空间。在执行完这一条alloc后，freemem的值由end[]（0x80400000）增加为0x80401000

• 然后，调用alloc函数为pages开出一块空间。需要注意的是，pages是用来记录各物理页信息的Page结构体数组，可以根据某Page在pages中的偏移量，间接求出对应的物理页地址。此时，freemem再次增加。与pgdir不同的是，紧接着又调用了boot_map_segment()函数。其作用下文中再叙述。

• 最后，与第二步相似，为envs先alloc再map。

接下来，我们看一下boot_map_segment()是用来干啥的。

 1  void boot_map_segment(Pde *pgdir, u_long va, u_long size, u_long pa, int perm)
 2  {
 3      int i, va_temp;
 4      Pte *pgtable_entry;
 5
 6      /* Step 1: Check if `size` is a multiple of BY2PG. */
 7
 8      if(size%BY2PG!=0){
 9          return;
10      }
11
12       /* Step 2: Map virtual address space to physical address. */
13      /* Hint: Use `boot_pgdir_walk` to get the page table entry of virtual address `va`. */
14
15      for(i=0;i<size;i+=BY2PG){
16          pgtable_entry=boot_pgdir_walk(pgdir,va+i,1);
17          *pgtable_entry=(pa+i)|perm|PTE_V;
18      }
19      return;
20  }

boot_map_segment

可以看出，boot_map_segment()的作用就是将[va, va+size)的虚拟地址和[pa, pa+size)的物理地址建立映射关系。通俗来讲，就是将虚拟地址va对应的页表项写入需要对应的pa的值，并设置标志位。

具体实现为，通过boot_pgdir_walk()获取地址为va+i对应的页表项，然后修改它的值。

那么自然而然，我们再来看一下boot_pgdir_walk()是怎么找到va+i对应的页表项地址的。

 1 static Pte *boot_pgdir_walk(Pde *pgdir, u_long va, int create)
 2  {
 3  ​
 4      Pde *pgdir_entryp;
 5      Pte *pgtable, *pgtable_entry;
 6
 7      /* Step 1: Get the corresponding page directory entry and page table. */
 8      /* Hint: Use KADDR and PTE_ADDR to get the page table from page directory
 9       * entry value. */
10      pgdir_entryp = pgdir+PDX(va);               //获取一级页表项的虚拟地址
11      pgtable=KADDR(PTE_ADDR(*pgdir_entryp));     //获取二级页表入口的虚拟地址
12      /* Step 2: If the corresponding page table is not exist and parameter `create`
13       * is set, create one. And set the correct permission bits for this new page
14       * table. */
15      if((*pgdir_entryp & PTE_V)==0 && create){   //如果没有二级页表，且需要创建
16          pgtable = alloc(BY2PG,BY2PG,1);         //创建二级页表
17          *pgdir_entryp = PADDR(pgtable)|PTE_V;   //将指向该二级页表的一级页表项的值设置为其物理地址
18      }
19      /* Step 3: Get the page table entry for `va`, and return it. */
20      pgtable_entry=pgtable+PTX(va);              //返回指向对应二级页表项地址的指针
21      return pgtable_entry;
22  ​
23  }

boot_pgdir_walk

该函数的具体行为已体现在注释中了，不再赘述。

看到这个boot_pgdir_walk()函数在寻找二级页表项的时候，可能会感觉被虚拟和物理地址的转换绕晕了，那么就来捋一下它究竟是根据什么地址找到的页表项吧。

首先需要明确，在想要访问页表的时候，无论是一级还是二级，都用的虚拟地址；而一级页表中存的二级页表地址和二级页表中存的页地址，都是物理地址。

明确这一点之后，以下这句就不难理解了。pgdir中存的是物理地址，但需要转化成虚拟地址访问。其他类似。

 pgtable=KADDR(PTE_ADDR(*pgdir_entryp));

另外，我们会发现，在需要访问的二级页表不存在时，同样调用了alloc，上移freemem，为新页开出空间。这是因为，我们采用的二级页表是动态的，需要哪个就装入哪个，而不是将所有二级页表都放入内存，因为这样太占空间了。

到此位置，初始化部分就完成一大半了，这时候只需要再调用page_init()函数，将此时freemem以下的部分都设置p->pp_ref=1，即该物理页被使用了。因此，根据freemem上移的顺序，物理内存的最底端为pgdir，其次为pages，envs，后来alloc的页等等。

页面置换

在完成初始化之后，进行之后的页面插入、删除、分配、置换就变得容易多了。接下来，就以page_insert()函数来梳理一下后期相关的页面操作。

 1 int
 2  page_insert(Pde *pgdir, struct Page *pp, u_long va, u_int perm)
 3  {
 4      u_int PERM;
 5      Pte *pgtable_entry;
 6      PERM = perm | PTE_V;
 7      /* Step 1: Get corresponding page table entry. */
 8      pgdir_walk(pgdir, va, 0, &pgtable_entry);
 9  ​
10      if (pgtable_entry!=0 &&(*pgtable_entry&PTE_V)!= 0) {
11          if (pa2page(*pgtable_entry) != pp) {
12              page_remove(pgdir, va);
13          } else  {
14              tlb_invalidate(pgdir, va);
15              *pgtable_entry = (page2pa(pp) | PERM);
16              return 0;
17          }
18      }
19  ​
20      /* Step 2: Update TLB. */
21  ​
22      /* hint: use tlb_invalidate function */
23      tlb_invalidate(pgdir,va);
24  ​
25      /* Step 3: Do check, re-get page table entry to validate the insertion. */
26  ​
27      int x = pgdir_walk(pgdir, va, 1, &pgtable_entry);
28      /* Step 3.1 Check if the page can be insert, if can鈥檛 return -E_NO_MEM */
29      if(x==-E_NO_MEM){
30          return -E_NO_MEM;
31      }
32  //  printf("0x%x\n",PTE_ADDR(pgdir[0]));
33      /* Step 3.2 Insert page and increment the pp_ref */
34      *pgtable_entry=(page2pa(pp)|PERM);
35      pp->pp_ref+=1;
36      return 0;
37  }

page_insert

第一步是使用pgdir_walk()函数，获取va所对应的二级页表项。由此看来，pgdir_walk()与之前初始化部分提到的boot_pgdir_walk()作用基本相同呢。然不同之处在于，在调用page_insert()时，内存初始化部分已经完成，空闲页表已经使用page_free_list串起来了，因此再分配新页面的时候，直接取出空页即可。

之后的步骤，就是对内存访问的具体步骤的实现了。

1 . . 感言

至此，lab2的部分基本就结束了。回想完成lab2的时候，脑子还是一团浆糊，对于许多操作都很不理解。如今回头写总结，才发现主要就是对于初始化部分的具体行为理解不清。

另外，lab2对queue.h部分的操作不涉及理解难度，就是指针复（chong）习（xue），注意指针别飞了，就没有大问题。

（代码仓库位于右上角Github）