Part2 虚拟内存

Exercise 2

熟悉x86的保护模式架构,主要分为分段和分页两种机制.

阅读Intel 80386 Reference Programmer's Manual中的第5和第6章.尤其是5.2 Page Translation和6.4 Page-Level Protection两小节.

虚拟地址, 线性地址, 物理地址

x86中的虚拟地址由段地址和段内偏移两部分组成.

线性地址是进行了段转换而没有进行页转换前的地址.

物理地址是最终进行了段转换和页转换后的地址,也是最终在硬件总线上对内存寻址的地址.

示意图如下:


           Selector  +--------------+         +-----------+
          ---------->|              |         |           |
                     | Segmentation |         |  Paging   |
Software             |              |-------->|           |---------->  RAM
            Offset   |  Mechanism   |         | Mechanism |
          ---------->|              |         |           |
                     +--------------+         +-----------+
            Virtual                   Linear                Physical

C语言中的指针代表的是虚拟地址中的段内偏移.在boot/boot.S中,我们通过lgdt gdtdesc指令载入了Global Descriptor Table (GDT).仔细观察gdtdesc的定义,我们会发现所有段的起始地址均为0,而限制均为0xffffffff,因此此时段地址是不起作用的,也就是说线性地址此时和虚拟地址相等.

在Lab3中,我们将会涉及到通过GDT来设置特权等级.在Lab2中,我们将会聚焦于页表转换,也就是从线性地址转换为物理地址的过程.

在Lab1 Part3kern/entry.S中,我们设置了一个简单的页表entry_pgdir,将物理内存0~4MB映射到虚拟地址0xf0000000~0xf0400000.在JOS下面的课程中,我们将映射256MB的物理内存,虚拟内存起始地址为0xf0000000.

Exercise 3

通过make qemu来启动qemu调试jos,然后按ctrl-a c可以进入qemu自带的调试器.

使用GDB的xp和x命令来查看内存,确保自己能通过物理内存地址和虚拟内存地址看到相同的内容.

使用info pg和info mem查看虚拟内存和页表的情况.

本练习的主要目的就是熟悉页表的映射关系,可以读懂info pg打印的页表信息.

在boot/boot.S中,我们将CPU切换到了保护模式.从那以后所有代码不再能够直接使用线性地址和虚拟地址,所有的地址均被解释为虚拟地址,并且都需要通过MMU转换.正因为此,所有的C指针也都是虚拟地址.

JOS的代码中经常需要操作地址,有时是物理地址,有时是虚拟地址.为了区别它们,我们用uintptr_t表示虚拟地址,用phyaddr_t表示物理地址.当然它们其实都是uint32_t.

在JOS中,我们可以将一个uintptr_t转化为一个指针,并直接使用.但是我们不能将一个phyaddr_t转化为一个指针直接使用,因为MMU会将所有的地址都当做虚拟地址处理.

总结:

C type Address type
T* Virtual
uintptr_t Virtual
physaddr_t Physical

Q&A: 下面x是哪种类型,uintptr_t还是physaddr_t?

    mystery_t x;
    char* value = return_a_pointer();
    *value = 10;
    x = (mystery_t) value;

JOS有时在操作内存时,必须要知道内存的物理地址.比如在进行页表设置时,就需要分配物理内存,并初始化.然而内存并不能越过MMU,因此内核不能直接操作物理内存.

为了操作物理内存,JOS采取的方法是将物理地址0开始的内存,线性地映射到了虚拟地址0xf000000. 因此当我们想要操作物理地址x时,只需要操作将物理地址加上0xf000000从而得到虚拟地址,通过宏KADDR(x)可以简化这个操作.

通过地,如果我们想要通过虚拟地址得到物理地址,可以通过宏PADDR(va)来进行.可以想到这个宏就是将虚拟地址减去了0xf0000000.

引用计数

在后面的课程中,我们将会遇到将同一个物理地址映射到多个虚拟地址的情况,因此我们需要记录物理内存页被引用的次数.

在jos中我们将这个计数保存在struct PageInfo中的pp_ref字段中.当引用计数为0时可以将该物理页还给内核,因为不再有人使用这个物理页了.换句话说,一个物理页的引用计数应当等于这个物理页在所有页表(page table)中对应的虚拟地址在UTOP之下的出现次数之和.高于UTOP的虚拟地址属于内核空间,不应该被释放,因此也没有维护引用计数的必要.

另外要注意的是关于page_alloc的使用,该函数仅仅是返回了一个物理页管理结构体sturct PageInfo*,并没有将与之关联的物理页引用计数加一,因此引用计数的维护应当由调用者完成.比如在page_insert中,会将物理页引用计数加一.

Excecise 4

完成一系列管理页表的函数:插入页表映射关系,移除页表映射关系,创建页表等:

        pgdir_walk()
        boot_map_region()
        page_lookup()
        page_remove()
        page_insert()

mem_init()中调用的check_page(),将会检查所有的页表管理函数.请确保通过检查.

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