《ucore lab3》實驗報告

資源

1. ucore在線實驗指導書
2. 我的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需要參考頁面所在 VMA 的權限，同時需要注意映射物理頁時需要操作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后，如果通過check_pgfault函數的測試后，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。請回答如下問題：

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. 如果ucore的缺頁服務例程在執行過程中訪問內存，出現了頁訪問異常，請問硬件要做哪些事情？

解答

我的設計實現過程

do_pgfault函數已經完成了參數檢查及錯誤檢查等流程，根據注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，如果發現錯誤則打印相關提示信息並返回。導致錯誤的原因有：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，得到對應的頁表項。這時要分兩種情況討論。

3. 如果頁表項為0，說明系統尚未為虛擬地址addr分配物理頁，因此首先需要申請分配一個物理頁；然后設置頁目錄表和頁表，以建立虛擬地址addr到物理頁的映射；最后，設置該物理頁為swappable，並且把它插入到可置換物理頁鏈表的末尾。

4. 如果頁表項不為0，而又出現缺頁異常，說明系統已建立虛擬地址addr到物理頁的映射，但對應物理頁已經被換出到磁盤中。這時同樣需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類似，同樣需要建立虛擬地址addr到物理頁的映射，同樣需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，換入時需要將某個虛擬地址vaddr對應於磁盤的一頁內容讀入到內存中，換出時需要將某個虛擬頁的內容寫到磁盤中的某個位置。而頁表項可以記錄該虛擬頁在磁盤中的位置，為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，硬件需要做哪些事情

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、將導致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。
   我的代碼：

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;
}

2. do_pgfault調用pgdir_alloc_page和swap_in失敗后沒打印錯誤信息以方便定位。
   我的代碼：

    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（需要編程）

題目

完成vmm.c中的do_pgfault函數，並且在實現FIFO算法的swap_fifo.c中完成map_swappable和swap_out_victim函數。通過對swap的測試。注意：在LAB3 EXERCISE 2處填寫代碼。執行make qemu后，如果通過check_swap函數的測試后，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如下問題：

1. 如果要在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？如果是，請給出你的設計方案。如果不是，請給出你的新的擴展和基此擴展的設計方案。並需要回答如下問題：
   • 需要被換出的頁的特征是什么？
   • 在ucore中如何判斷具有這樣特征的頁？
   • 何時進行換入和換出操作？

解答

我的設計實現過程

練習1中結合do_pgfault函數大致分析了缺頁異常處理的流程，但對換入換出只作了簡略討論。這里結合swap_fifo.c的map_swappable和swap_out_victim函數進一步討論換入換出流程。

1. 為支持換入換出，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結構體中增加了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，后者用於記錄當前物理頁對應的虛擬頁地址（由於可以換入換出，同一個物理頁在不同時刻可能被映射到不同的虛擬頁，因此有必要增加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，作為將被換出的物理頁。

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）