《ucore lab3》實驗報告

資源

1. ucore在線實驗指導書
2. 個人ucore實驗代碼

練習1：給未被映射的地址映射上物理頁

題目

完成do_pgfault（mm/vmm.c）函數，給未被映射的地址映射上物理頁。設置訪問權限的時候須要參考頁面所在 VMA 的權限，同時須要注意映射物理頁時須要操做內存控制結構所指定的頁表，而不是內核的頁表。注意：在LAB3 EXERCISE 1處填寫代碼。執行make qemu後，若是經過check_pgfault函數的測試後，會有「check_pgfault() succeeded!」的輸出，表示練習1基本正確。

請在實驗報告中簡要說明你的設計實現過程。請回答以下問題：

1. 請描述頁目錄項（Page Directory Entry） 和頁表項（Page Table Entry） 中組成部分對ucore實現頁替換算法的潛在用處。
2. 若是ucore的缺頁服務例程在執行過程當中訪問內存，出現了頁訪問異常，請問硬件要作哪些事情？

解答

個人設計實現過程

do_pgfault函數已經完成了參數檢查及錯誤檢查等流程，根據註釋不難完成剩下的流程。

1. 檢查頁面異常發生時的錯誤碼的最低兩位，即存在位和讀/寫位，若是發現錯誤則打印相關提示信息並返回。致使錯誤的緣由有：讀沒有讀權限的內存、寫沒有寫權限的內存、所讀內容在內存中卻讀失敗等。（原代碼中已實現）

2. 用虛擬地址addr索引頁目錄表和頁表，獲得對應的頁表項。這時要分兩種狀況討論。

3. 若是頁表項爲0，說明系統還沒有爲虛擬地址addr分配物理頁，所以首先須要申請分配一個物理頁；而後設置頁目錄表和頁表，以創建虛擬地址addr到物理頁的映射；最後，設置該物理頁爲swappable，而且把它插入到可置換物理頁鏈表的末尾。

4. 若是頁表項不爲0，而又出現缺頁異常，說明系統已創建虛擬地址addr到物理頁的映射，但對應物理頁已經被換出到磁盤中。這時一樣須要申請分配一個物理頁，把換出到磁盤中的那個頁面的內容寫到該物理頁中；接下來和步驟3相似，一樣須要創建虛擬地址addr到物理頁的映射，一樣須要把該物理頁插入到可置換頁鏈表的末尾。

問題1：頁目錄項和頁表項對頁替換算法的用處

答：頁替換涉及到換入換出，換入時須要將某個虛擬地址vaddr對應於磁盤的一頁內容讀入到內存中，換出時須要將某個虛擬頁的內容寫到磁盤中的某個位置。而頁表項能夠記錄該虛擬頁在磁盤中的位置，爲換入換出提供磁盤位置信息。頁目錄項則是用來索引對應的頁表。

問題2：缺頁服務例程出現頁訪問異常時，硬件須要作哪些事情

答：

1. 關中斷
2. 保護現場。包括：將頁訪問異常的錯誤碼壓入內核棧的棧頂、將致使頁訪問異常的虛擬地址記錄在cr2寄存器中、保存狀態寄存器PSW及斷點等。
3. 根據中斷源，跳轉到缺頁服務例程

代碼優化

對照答案對代碼進行優化。

1. do_pgfault調用get_pte時沒有檢查返回值。 個人代碼：

pte_t *ptep = get_pte(mm->pgdir, addr, 1);

答案的代碼：

pte_t *ptep=NULL;
// try to find a pte, if pte's PT(Page Table) isn't existed, then create a PT.
// (notice the 3th parameter '1')
if ((ptep = get_pte(mm->pgdir, addr, 1)) == NULL) {
    cprintf("get_pte in do_pgfault failed\n");
    goto failed;
}

1. do_pgfault調用pgdir_alloc_page和swap_in失敗後沒打印錯誤信息以方便定位。 個人代碼：

if (*ptep == 0) {
        if (page = pgdir_alloc_page(mm->pgdir, addr, perm)) {
            ret = 0;
        }
    }
    else if (swap_init_ok) {
        swap_in(mm, addr, &page);

        if (0 == page_insert(mm->pgdir, page, addr, perm)) {
            swap_map_swappable(mm, addr, page, 0);
            ret = 0;
        }
    }

答案的代碼：

if (*ptep == 0) { // if the phy addr isn't exist, then alloc a page & map the phy addr with logical addr
        if (pgdir_alloc_page(mm->pgdir, addr, perm) == NULL) {
            cprintf("pgdir_alloc_page in do_pgfault failed\n");
            goto failed;
        }
    }
    else { // if this pte is a swap entry, then load data from disk to a page with phy addr
           // and call page_insert to map the phy addr with logical addr
        if(swap_init_ok) {
            struct Page *page=NULL;
            if ((ret = swap_in(mm, addr, &page)) != 0) {
                cprintf("swap_in in do_pgfault failed\n");
                goto failed;
            }    
            page_insert(mm->pgdir, page, addr, perm);
            swap_map_swappable(mm, addr, page, 1);
            page->pra_vaddr = addr;
        }
        else {
            cprintf("no swap_init_ok but ptep is %x, failed\n",*ptep);
            goto failed;
        }
    }

練習2：補充完成基於FIFO的頁面替換算法（須要編程）

題目

完成vmm.c中的do_pgfault函數，而且在實現FIFO算法的swap_fifo.c中完成map_swappable和swap_out_victim函數。經過對swap的測試。注意：在LAB3 EXERCISE 2處填寫代碼。執行make qemu後，若是經過check_swap函數的測試後，會有「check_swap() succeeded!」的輸出，表示練習2基本正確。

請在實驗報告中簡要說明你的設計實現過程。

請在實驗報告中回答以下問題：

1. 若是要在ucore上實現"extended clock頁替換算法"，請給出你的設計方案，現有的swap_manager框架是否足以支持在ucore中實現此算法？若是是，請給出你的設計方案。若是不是，請給出你的新的擴展和基此擴展的設計方案。並須要回答以下問題：
   • 須要被換出的頁的特徵是什麼？
   • 在ucore中如何判斷具備這樣特徵的頁？
   • 什麼時候進行換入和換出操做？

解答

個人設計實現過程

練習1中結合do_pgfault函數大體分析了缺頁異常處理的流程，但對換入換出只做了簡略討論。這裏結合swap_fifo.c的map_swappable和swap_out_victim函數進一步討論換入換出流程。

1. 爲支持換入換出，在lab 2的基礎上主要修改了兩個地方：一是當虛擬頁被換出到磁盤時，用對應頁表項的高24位記錄磁盤地址；二是在Page結構體中增長了pra_page_link和pra_vaddr兩個字段，前者用於將可換出的物理頁保存在一個鏈表中，後者用於記錄當前物理頁對應的虛擬頁地址（因爲能夠換入換出，同一個物理頁在不一樣時刻可能被映射到不一樣的虛擬頁，所以有必要增長一個字段記錄當前映射到的虛擬頁地址）。

2. map_swappable函數根據FIFO置換算法，將一個物理頁添加到可換出物理頁鏈表的末尾，同時更新物理頁對應的虛擬頁地址。

3. swap_out_victim函數根據FIFO置換算法，選擇可換出物理頁鏈表的首元素，做爲將被換出的物理頁。

回答問題（待完成）

Challenge 1：實現識別dirty bit的 extended clock頁替換算法（待完成）

Challenge 2：實現不考慮實現開銷和效率的LRU頁替換算法（待完成）