計算機操作系統(tǒng)實驗指導(dǎo)-基于RISC-V代理內(nèi)核 課件 第四章實驗2：內(nèi)存管理

基于RISC-V代理內(nèi)核的操作系統(tǒng)課程實驗與課程設(shè)計第四章．實驗2：內(nèi)存管理目錄實驗2的基礎(chǔ)知識Sv39虛地址管理方案回顧物理內(nèi)存布局與規(guī)劃PKE操作系統(tǒng)和應(yīng)用進程的邏輯地址空間結(jié)構(gòu)與頁表操作相關(guān)的重要函數(shù)實驗內(nèi)容lab2_1虛實地址轉(zhuǎn)換lab2_2簡單內(nèi)存分配和回收lab2_3缺頁異常實驗2的基礎(chǔ)知識Sv39虛地址管理方案回顧Sv39中邏輯地址的結(jié)構(gòu)Sv39中PDE/PTE格式Sv39虛地址管理方案回顧Sv39中虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程Sv39虛地址管理方案回顧satp寄存器格式satp寄存器中MODE域的取值和含義取值虛存方案0Bare8Sv399Sv48物理內(nèi)存布局與規(guī)劃對于我們用spike的模擬RISC-V機器而言，2GB的物理內(nèi)存并不是從0地址開始編址，而是從0x80000000開始編址的。PKE操作系統(tǒng)的邏輯地址空間結(jié)構(gòu)在開啟了Sv39虛擬內(nèi)存管理方案后，所有的邏輯地址到物理地址的翻譯都必須通過頁表和MMU硬件進行。PKE操作系統(tǒng)內(nèi)核的邏輯地址空間和它到物理地址空間的映射圖PKE應(yīng)用進程的邏輯地址空間結(jié)構(gòu)lab2_1的應(yīng)用app_helloworld_no_lds進程在裝入后，其邏輯地址空間有4個區(qū)間建立了和物理地址空間的映射。用戶進程的邏輯地址空間到物理地址空間的映射圖與頁表操作相關(guān)的重要函數(shù)1、將邏輯地址映射到物理地址intmap_pages(pagetable_tpage_dir,uint64va,uint64size,uint64pa,intperm);2、查找邏輯地址所在的頁表項pte_t*page_walk(pagetable_tpage_dir,uint64va,intalloc);3、查找邏輯地址所在虛擬頁面地址對應(yīng)的物理頁面地址uint64lookup_pa(pagetable_tpagetable,uint64va);目錄實驗2的基礎(chǔ)知識Sv39虛地址管理方案回顧物理內(nèi)存布局與規(guī)劃PKE操作系統(tǒng)和應(yīng)用進程的邏輯地址空間結(jié)構(gòu)與頁表操作相關(guān)的重要函數(shù)實驗內(nèi)容lab2_1虛實地址轉(zhuǎn)換lab2_2簡單內(nèi)存分配和回收lab2_3缺頁異常lab2_1虛實地址轉(zhuǎn)換給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab2_1虛實地址轉(zhuǎn)換實驗內(nèi)容：開啟Sv39頁式地址管理，將應(yīng)用（app_helloworld_no_lds.c，鏈接時未指定邏輯地址）投入正常運行。實現(xiàn)user_va_to_pa()函數(shù)，完成給定邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，最終使得helloworld程序獲得正確輸出。lab2_2簡單內(nèi)存分配和回收給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab2_2簡單內(nèi)存分配和回收實驗內(nèi)容：這里，新定義了兩個用戶態(tài)函數(shù)naive_malloc()和naive_free()，它們最終會轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)調(diào)用，完成內(nèi)存的分配和回收操作。需要完成naive_free對應(yīng)的功能，獲得預(yù)期的輸出。lab2_3缺頁異常給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab2_3缺頁異常實驗內(nèi)容：應(yīng)用程序執(zhí)行時，由于采用遞歸函數(shù)求等差數(shù)列的和，遞歸層數(shù)過多，使得用戶態(tài)棧溢出。本實驗中，我們處理的是缺頁異常。首先，判斷我們處理的確實是缺頁異常；判斷發(fā)生缺頁的是不是用戶?？臻g，如果是則分配一個物理頁空間，最后將該空間通過vm_map“粘”到用戶棧上以擴充用戶棧空間。lab2_challenge1復(fù)雜缺頁異常給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab2_challenge1復(fù)雜缺頁異常實驗內(nèi)容：程序思路基本同lab2_3一致，對給定n計算0到n的和，但要求將每一步遞歸的結(jié)果保存在數(shù)組ans中。創(chuàng)建數(shù)組時，我們使用了當(dāng)前的malloc函數(shù)申請了一個頁面（4KB）的大小，對應(yīng)可以存儲的個數(shù)上限為1024。首先由于n足夠大，所以在函數(shù)遞歸執(zhí)行時會觸發(fā)用戶棧的缺頁，你需要對其進行正確處理，確保程序正確運行；其次，1025在最后一次計算時會訪問數(shù)組越界地址，由于該處虛擬地址尚未有對應(yīng)的物理地址映射，因此屬于非法地址的訪問，這是不被允許的，對于這種缺頁異常，應(yīng)該提示用戶并退出程序執(zhí)行。lab2_challenge2堆空間管理給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab2_challenge2堆空間管理實驗內(nèi)容：以上程序先利用better_malloc分別申請100和50個字節(jié)的一個物理頁的內(nèi)存，然后使用better_free釋放掉100個字節(jié)，向50個字節(jié)中復(fù)制一串字符串，進行輸出。原本的pke中malloc的實現(xiàn)是非常簡化的（一次直接分配一個頁面），你的挑戰(zhàn)任務(wù)是修改內(nèi)核(包括machine文件夾下)的代碼，使得應(yīng)用程序的malloc能夠在一個物理頁中分配，并對各申請塊進行合理的管理。通過應(yīng)用程序和對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果可以看出：兩次申請的空間在同一頁面，并且釋放第一塊時，不會釋放整個頁面，所以需要你設(shè)計合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對各塊進行管理，使得better_malloc申請的空間更加“緊湊”。lab2_challenge3多核內(nèi)存管理給定應(yīng)用預(yù)期輸出……lab2_challenge3多核內(nèi)存管理實驗內(nèi)容：

在本次實驗中，給定兩個程序，每個程序會通過lab2_2實現(xiàn)的naive_malloc申請一些內(nèi)存頁，在內(nèi)存頁開始處寫入一個int并打印內(nèi)存頁的虛擬地址。最后每個進程會打印自己寫入內(nèi)存頁的數(shù)，并通過naive_f