MIT6.828 Lab2:第1部分 Physical Page Management

在lab2中多出来下面几个文件：
　　inc/memlayout.h
　　kern/pmap.c
　　kern/pmap.h
　　kern/kclock.h
　　kern/kclock.c

　　memlayout.h描述了虚拟地址空间的结构，我们需要通过修改pmap.c文件来实现这个结构。memlayout.h和pmap.h文件定义了一个PageInfo结构，利用这个结构可以记录有哪些物理页是空闲的。kclock.c和kclock.h文件中操作的是用电池充电的时钟，以及CMOS RAM设备。在这个设备中记录着PC机拥有的物理内存的数量。在pmap.c中的代码必须读取这个设备中的信息才能弄清楚到底有多少内存。
　　在Lab1后，JOS的物理内存状态是这样分布的。
　　
　　
　　操作系统必须要追踪记录哪些内存区域是空闲的，哪些是被占用的。JOS内核是以页(page)为最小粒度来管理内存的，它使用MMU来映射，保护每一块被分配出去的内存。

　　在这里你要具体编写一下物理内存页的分配子函数。它利用一个结构体PageInfo的链表来记录哪些页是空闲的，链表中每一个结点对应一个物理页。

　　Exercise 1：
　　在文件 kern/pmap.c 中，你必须要完成以下几个子函数的代码

　　boot_alloc(); mem_init(); page_init(); page_alloc(); page_free();

　　check_page_free_list()和check_page_alloc()两个函数将会检测你写的页分配器代码是否正确。

　　回答：　　
　　回到启动内核的函数i386_init函数(在kern/init.c中)，在初始化控制台后进行内存管理初始化，即mem_init函数，所以mem_init函数是我们这次练习的入口。
　　在内核刚开始运行时就会调用mem_init函数(在kern/pmap.c中)，对整个操作系统的内存管理系统进行一些初始化的设置，比如设定页表等等操作。
　　下面进入这个函数，首先这个函数调用 i386_detect_memory 子函数，这个子函数的功能就是检测现在系统中有多少可用的内存空间。
之前我们介绍过，jos把整个物理内存空间划分成三个部分：

• 从0x00000~0xA0000，这部分叫做basemem，是可用的。
• 从0xA0000~0x100000，这部分叫做IO hole，是不可用的，主要被用来分配给外部设备了。

• 从0x100000~0x，这部分叫做extmem，是可用的，这是最重要的内存区域。

  　　这个子函数中包括三个变量，其中npages记录整个内存的页数，npages_basemem记录basemem的页数，npages_extmem记录extmem的页数。
  　　执行完这个函数，下一条指令为：

　　kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);　　memset(kern_pgdir, 0, PGSIZE);

　　其中kern_pgdir是一个指针，pde_t *kern_pgdir，它是指向操作系统的页目录表的指针，操作系统之后工作在虚拟内存模式下时，就需要这个页目录表进行地址转换。我们为这个页目录表分配的内存大小空间为PGSIZE，即一个页的大小。并且首先把这部分内存清0。
这里调用了boot_alloc函数，这个函数使我们要首先实现的函数：
　　这个函数就像在注释中说的那样，它只是被用来暂时当做页分配器，之后我们使用的真实页分配器是page_alloc()函数。而这个函数的核心思想就是维护一个静态变量nextfree，里面存放着下一个可以使用的空闲内存空间的虚拟地址，所以每次当我们想要分配n个字节的内存时，我们都需要修改这个变量的值。
添加后的代码为：

   if (!nextfree) {           extern char end[];           nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);   }　　result = nextfree；　　nextfree = ROUNDUP(nextfree+n, PGSIZE);　　if ((uint32_t) nextfree - KERNBASE > (npages*PGSIZE))   　　　panic("Out of memory!\n");　　return result;

　　其中end是bss段末尾，具体定义在kern/kernel.ld中
　　

　　所以这条kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);指令就会分配一个页的内存，并且这个页就是紧跟着操作系统内核之后。
　　此时物理内存的分布是这样的。
　　
　　
　　再看下一条命令：

　　kern_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(kern_pgdir) | PTE_U | PTE_P;

　　　　这指令就是在为页目录表添加第一个页目录表项。通过查看memlayout.h文件，我们可以看到，UVPT的定义是一段虚拟地址的起始地址，0xef400000，从这个虚拟地址开始，存放的就是这个操作系统的页表kern_pgdir，所以我们必须把它和页表kern_pgdir的物理地址映射起来，PADDR(kern_pgdir)就是在计算kern_pgdir所对应的真实物理地址。

　　下一条命令需要我们去补充，这条命令要完成的功能是分配一块内存，用来存放一个struct PageInfo的数组，数组中的每一个PageInfo代表内存当中的一页。操作系统内核就是通过这个数组来追踪所有内存页的使用情况的。添加的代码如下：
　　　　　

　　pages = (struct PageInfo *)  boot_alloc(npages * sizeof(struct PageInfo));　　memset(pages, 0, npages * sizeof(struct PageInfo));

　　
　 下一条指令我们将运行一个子函数，page_init()，这个子函数的功能包括：
　　　　1. 初始化pages数组 2.初始化pages_free_list链表，这个数组中存放着所有空闲页的信息

　　我们可以到这个函数的定义处具体查看，整个函数是由一个for循环构成，它会遍历所有内存页所对应的在npages数组中的PageInfo结构体，并且根据这个页当前的状态来修改这个结构体的状态，如果页已被占用，那么要把PageInfo结构体中的pp_ref属性置一；如果是空闲页，则要把这个页送入pages_free_list链表中。根据注释中的提示，第0页已被占用，io hole部分已被占用，还有在extmem区域还有一部分已经被占用。如图
　　
　　所以添加的代码如下：

size_t i;page_free_list = NULL;//num_extmem_alloc：在extmem区域已经被占用的页的个数int num_extmem_alloc = ((uint32_t) boot_alloc(0) - KERNBASE) / PGSIZE;//num_iohole：在io hole区域占用的页数int num_iohole = (EXTPHYSMEM - IOPHYSMEM) / PAGESIZE;for(i=0; i<npages; i++){    if(i == 0)    {        pages[i].pp_ref = 1;        pages[i].pp_link = NULL;        continue;    }        else if(i >= npages_basemem && i < npages_basemem + num_iohole + num_alloc)    {        pages[i].pp_ref = 1;        pages[i].pp_link = NULL;        continue;    }    else    {        pages[i].pp_ref = 0;        pages[i].pp_link = page_free_list;        page_free_list = &pages[i];    }}

　　初始化关于所有物理内存页的相关数据结构后，进入check_page_free_list(1)子函数，这个函数的功能就是检查page_free_list链表的所谓空闲页，是否真的都是合法的，空闲的。当输入参数为1时，这个函数要在检查前先进行一步额外的操作，对空闲页链表free_page_list进行修改，经过page_init，free_page_list中已经存放了所有的空闲页表，但是他们的顺序是按照页表的编号从大到小排列的。当前操作系统所采用的页目录表entry_pgdir（不是kern_pgdir）中，并没有对大编号的页表进行映射，所以这部分页表我们还不能操作。但是小编号的页表，即从0号页表开始到1023号页表，已经映射过了，所以可以对这部分页表进行操作。那么check_page_free_list(1)要完成的就是把这部分页表对应的PageInfo结构体移动到free_page_list的前端，供操作系统现在使用。

　　剩下的操作就是对你的free_page_list进行检查了。

　　
　　check_page_free_list(1)执行完成，我们将进入下一个检查函数check_page_alloc()，这个函数的功能是检查page_alloc()，page_free()两个子函数是否能够正确运行。所以我们首先要实现这两个子函数。

　　先实现page_alloc()函数，通过注释我们可以知道这个函数的功能就是分配一个物理页。而函数的返回值就是这个物理页所对应的PageInfo结构体。

　　所以这个函数的大致步骤应该是：

　　1. 从free_page_list中取出一个空闲页的PageInfo结构体

　　2. 修改free_page_list相关信息，比如修改链表表头

　　3. 修改取出的空闲页的PageInfo结构体信息，初始化该页的内存

　　添加的代码如下：

struct PageInfo *page_alloc(int alloc_flags){    struct PageInfo *result;    if (page_free_list == NULL)        return NULL;      result= page_free_list;      page_free_list = result->pp_link;      result->pp_link = NULL;    if (alloc_flags & ALLOC_ZERO)        memset(page2kva(result), 0, PGSIZE);       return result;}

　
　　然后实现page_free()方法，根据注释可知，这个方法的功能就是把一个页的PageInfo结构体再返回给page_free_list空闲页链表，代表回收了这个页。

　　主要完成以下几个操作：

　　1. 修改被回收的页的PageInfo结构体的相应信息。

　　2. 把该结构体插入回page_free_list空闲页链表。

　　添加的代码如下：

voidpage_free(struct PageInfo *pp){    // Fill this function in    // Hint: You may want to panic if pp->pp_ref is nonzero or    // pp->pp_link is not NULL.      assert(pp->pp_ref == 0);      assert(pp->pp_link == NULL);      pp->pp_link = page_free_list;      page_free_list = pp;}

　　至此，我们已经完成了这个Exercise为我们布置的任务，但是mem_init()函数的完善没有完成。