操做系统lab2实验总结——Part1

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这是MIPS虚拟映射布局图，在接下来的实验中，咱们须要特别注意的地址分别是kuseg和kseg0区，首先列出这两个区域的意义。

MIPS虚存映射布局

32位的MIPS CPU最大寻址空间为4GB(2^32字节)，这4GB虚存空间被划分为四个部分：

1. kuseg (TLB-mapped cacheable user space, 0x00000000 - 0x7fffffff)： 这一段是用户模式下可用的地址，大小为2G，也就是MIPS约定的用户内存空间。须要经过MMU进行虚拟地址到物理 地址的转换。

2. kseg0 (direct-mapped cached kernel space, 0x80000000 - 0x9fffffff)： 这一段是内核地址，其内存虚存地址到物理内存地址的映射转换不经过MMU，使用时只须要将地址的最高位清零 (& 0x7fffffff)， 这些地址就被转换为物理地址。也就是说，这段逻辑地址被连续地映射到物理内存的低端512M空间。对这段地址 的存取都会经过高速缓存(cached)。一般在没有MMU的系统中，这段空间用于存放大多数程序和数据。对于有 MMU 的系统，操做系统的内核会存放在这个区域。

kuseg中有三个大小为PDMAP（4MB）的区域，分别从0x7f400000开始是ENVS,PAGES和User VPT。须要注意的是PAGES和User VPT的关系：User VPT中存放了1024个页表，因为自映射的关系，这个页表里又包括了页目录的页表，每个页表中又有1024个页表项。PAGES存放了48个页表，这48个页表映射的内容是16*1024个物理页框的结构体（struct Page)的物理内存。在lab2实验中，咱们只用了boot_map_segment函数将PAGES的内容进行了映射，并无操做User VPT的空间。

第一幅图将是咱们理解整个mm/pmap.c的核心，接下来将按照init/init.c中的顺序进行逐一解释每一个函数的细节和总体的启动布局。

1 //这是init/init.c里的函数调用顺序
2 mips_detect_memory(); 3 mips_vm_init(); 4 page_init();

init/init.c

1、mips_detect_memory()

1.代码块

 1 void mips_detect_memory()  2 {  3     //in bytes
 4     basemem = 64 * 1024 * 1024;//物理内存的大小为64MB-->26位
 5     npage = 16 * 1024;//物理页框的个数
 6     maxpa = basemem;//最大的物理地址
 7     extmem = 0;//延申的空间
 8     printf("Physical memory: %dK available, ", (int)(maxpa / 1024));  9     printf("base = %dK, extended = %dK\n", (int)(basemem / 1024), 10            (int)(extmem / 1024)); 11 }

mips_detect_memory

2.初始化一些内存相关的参数，意义写在注释里，不赘述。

2、mips_vm_init（）

1.代码块

 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 */
11     pgdir = alloc(BY2PG, BY2PG, 1); 12     printf("to memory %x for struct page directory.\n", freemem); 13     mCONTEXT = (int)pgdir;//mCONTEXT是虚拟地址
14 
15     boot_pgdir = pgdir; 16 
17     /* Step 2*/
18     pages = (struct Page *)alloc(npage * sizeof(struct Page), BY2PG, 1); 19     printf("to memory %x for struct Pages.\n", freemem); 20 
21     n = ROUND(npage * sizeof(struct Page), BY2PG); 22 
23  boot_map_segment(pgdir, UPAGES, n, PADDR(pages), PTE_R); 24 
25     /* Step 3*/
26     envs = (struct Env *)alloc(NENV * sizeof(struct Env), BY2PG, 1); 27     n = ROUND(NENV * sizeof(struct Env), BY2PG); 28  boot_map_segment(pgdir, UENVS, n, PADDR(envs), PTE_R); 29 
30     printf("pmap.c:\t mips vm init success\n"); 31 }

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2.目的：

　　step1:申请了4KB的页目录空间。（pgdir)

　　step2:申请了192KB的结构体空间，将这一块物理内存进行二级映射。

　　step3:申请了线程的空间。（这一块不在这里讨论)

3.布局图

在函数的起始位置声明了

extern char end[];

 end[]的地址就是0x8040 0000，在tools/scse0_3.lds处进行了定义。

理解这个函数的关键是理解alloc()函数

 1 static void *alloc(u_int n, u_int align, int clear)  2 {  3 
 4     extern char end[];  5  u_long alloced_mem;  6 
 7     if (freemem == 0)  8  {  9         freemem = (u_long)end; 10  } 11 
12     freemem = ROUND(freemem, align); 13     alloced_mem = freemem; 14     freemem = freemem + n; 15 
16     if (clear) 17  { 18         bzero((void *)alloced_mem, n); 19  } 20 
21     if (PADDR(freemem) >= maxpa) 22  { 23         panic("out of memorty\n"); 24         return (void *)-E_NO_MEM; 25  } 26 
27     return (void *)alloced_mem; 28 }

alloc

freemem（全局变量)是end到physics Memory Max的空闲内存，每一次调用都将alloced_mem移到分配空间的开头，freemem移到分配空间的结尾，并返回了alloced_mem的地址。

因此mips_vm_init对于0x8040 0000之后的空间操做以下：

 

首先给pgdir在0x80400000申请了一个4KB的空间，而后给全局变量struct Page *pages申请了npage * sizeof(struct Page)即16*1024*12=192KB的空间。

1 struct Page{ 2          struct { 3             struct Page *le_next; 4             struct Page **le_prev; 5  } pp_link; 6  u_short pp_ref; 7     };

struct Page// sizeof(struct Page)=0xC

接着在boot_map_segment()里，每一次映射在一级页表的索引是相同的，因此会创造一个二级页表。

4.boot_map_segment(Pde *pgdir, u_long va, u_long size, u_long pa, int perm)

4.1代码块

 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     assert(size % BY2PG == 0);  7 
 8     for (i = 0; i < size; i += BY2PG)  9  { 10         pgtable_entry = boot_pgdir_Walk(pgdir, va + i, 1);//返回的是页表项的虚拟地址
11         *pgtable_entry = (pa + i) | perm | PTE_V; //物理地址映射上
12  } 13 }

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4.2理解和画了一个的图（具体说明了end[]之后的虚拟空间是怎么布局的）

这个函数的目的是将虚拟地址空间[va, va+size) 和物理地址空间[pa, pa+size)创建映射关系。什么叫创建映射关系呢？即在虚拟地址所对应的二级页表里存放（物理页框的）物理地址。下面如下面这个调用为例，说明二级页表的映射过程。

boot_map_segment(pgdir, UPAGES, n, PADDR(pages), PTE_R);

这个函数的具体映射是经过boot_pgdit_walk实现的。

static Pte *boot_pgdir_walk(Pde *pgdir, u_long va, int create)

 

          

 下面说明一下Pde*的理解（Pde*和Pte*是同样的）

Pde *pgdir_entryp;

在include/mmu.h中定义了

typedef u_long Pde;

Pde的类型就是unsigned long，占4B。它的指针是要寻找虚拟空间，大小也是一个页表项，4B。Pde和Pde*都是4B，使它们的转换很是方便。指针实际上一块以它为地址的内存单元。因此Pde的指针(Pde*)所指的地址就是虚拟地址，而这块地址的内容(Pde)是物理地址，因此实现了虚拟地址和物理地址的映射关系。

3、page_init（）

1.代码块

 1 void page_init(void)  2 {  3     /* Step 1 */
 4     LIST_INIT(&page_free_list); //page free list is a struct
 5     /* Step 2*/
 6     freemem = ROUND(freemem, BY2PG);  7     /* Step 3 */
 8     int i;  9     int free_page_size = PADDR(freemem) / BY2PG; 10     for (i = 0; i < free_page_size; i++) 11  { 12         pages[i].pp_ref = 1; 13  } 14     /* Step 4 */
15     for (; i < npage; i++) 16  { 17         pages[i].pp_ref = 0; 18         LIST_INSERT_HEAD(&page_free_list, &pages[i], pp_link); 19  } 20 }

page_init()

2.目的

这个函数自己很简单，其中有两个问题须要注意：

• 问题1：struct Page *pages; 为何要申请这些结构体？它和咱们的页表有什么关系？
• 问题2：Step3"Mark all memory below `freemem` as used"的意义是什么？

在以前的操做中，咱们一直使用了两个虚拟地址，一个是在kuseg0（end[]（0x8040 0000) 之后），一个是在kuseg(里面有UPAGES,UVPT,UENVS）。前者不须要mmu直接将高位清零获得物理地址，后者须要mmu将虚拟地址映射到物理地址。因此其实咱们对于end[]之后的全部操做能够理解成这是在对物理内存进行操做。物理内存的大小有多少呢？64MB。64MB的物理内存中有16*1024个物理页框，则16*1024个struct Page和64MB的物理页框是一一对应的。咱们知道对空闲物理内存进行管理有两种基本的操做：1.位图；2.链表。因此page_free_list能够把空闲的struct Page串起来。

在step3中咱们就将end[]后面已经使用的内核虚拟地址所对应的物理地址占用的内存，转换为 [PADDR(freemem) / BY2PG] 个页表，并把它们标记过已经使用的。

struct Page和物理内存是怎么一一对应的呢？

　　(pp - pages)<< PGSHIFT

就是算出这是pages里的第几个Page，再乘上4KB，就是物理地址了。

上面的两个问题就解决了。