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1、操作系统原理实验四、虚拟内存实验目的 理解EPOS内核的重定位 理解虚拟内存的初始化过程 掌握页表和页目录的构造 掌握page fault的处理 掌握物理内存的管理 掌握页面置换算法重定位EPOS内核 EPOS被链接到地址（3GB+1MB） 从eposkrnl.map可知道（0 xc0100000=3GB+1MB） 然而，EPOS被GRUB加载到物理地址为1MB的内存运行 即链接地址加载地址 因此，EPOS需要初始化虚拟内存，然后把自己重定位到链接的地址上去运行重定位EPOS内核 思考题 在初始化虚拟内存之前，不能访问任何（显式或隐式的）全局变量，但可以进行函数调用。为什么？ 例如，不能调用p
2、rintk(“foo bar %d”, i)，其中的字符串“foo bar %d”会被当作全局变量保存初始化虚拟内存ROM BIOSEPOSR(_end)FreeRAM机器信息struct multiboot_info(multiboot.h)0 xA-00000 x10-00000内核入口_entry(entry.S) GRUB加载EPOS之后、将控制传给EPOS之前的布局RAMROM BIOSEPOSFreeRAMA-000010-00000Page dir.20 Page tables1023770769768767210102310102310ROM BIOSEPOSROM BIOSE
3、POS虚拟地址空间C000-00000FFFF-FFFFPage dir.20 Page tablesBFC0-0000BFEF-F000PTPTDphysfreestatic uint32_t init_paging(uint32_t physfree) uint32_t i, *pgdir, *pte; pgdir=(uint32_t *)physfree; physfree += PAGE_SIZE; memset(pgdir, 0, PAGE_SIZE); for(i = 0; i PGDR_SHIFT)/*768*/=physfree|PTE_V|PTE_RW; memset(voi
4、d *)physfree, 0, PAGE_SIZE); physfree+=PAGE_SIZE; pte=(uint32_t *)(PAGE_TRUNCATE(pgdir0); for(i = 0; i PAGE_SHIFT=(i)|PTE_V|PTE_RW;pgdir(KERNBASEPGDR_SHIFT)-1=(uint32_t)(pgdir)|PTE_V|PTE_RW;pgdir_asm_ _volatile_ ( movl %0, %eaxnt movl %eax, %cr3nt movl %cr0, %eaxnt orl $0 x80000000, %eaxnt movl %eax
5、, %cr0nt“ :m(pgdir):%eax”); return physfree;void cstart(uint32_t magic, uint32_t addr) if(77) uint32_t i; for(i = 0; i NR_KERN_PAGETABLE/*20*/; i+) PTDi = 0; invltlb(); /*refresh TLB*/ 物理地址空间BFF0-000020 Page tablesROM BIOSEPOS虚拟地址空间C000-00000FFFF-FFFFPage dir.20 Page tablesBFC0-0000BFEF-F000PTPTDROM
6、 BIOSEPOSFreeRAMA-000010-00000Page dir.20 Page tables物理地址空间void cstart(uint32_t magic, uint32_t addr) if(78) /reserve and commit freemap if(79) / reserve kernel heap for kmalloc/kfree freemapfreemapKernel heapfreemap用于管理空闲的物理内存，一个页面用一个字节来记录，0表示空闲，非0表示已被占用。内核堆（kernel heap）用于内核运行过程中内存的动态分配（kmalloc）与回收
7、（kfree）。BFF0-0000初始化虚拟内存系统 思考题 对于freemap，不仅为它保留了地址空间，而且映射到了物理内存。而对于内核堆（kernel heap），为什么只保留了地址空间，并未映射到物理内存？处理Page Faultint do_page_fault(struct context *ctx, uint32_t vaddr, uint32_t code) - page.c ctx 发生page fault时的现场 vaddr 触发page fault的虚拟地址 code page fault异常代码，如下图所示处理Page Fault 思考题 阅读page.c中的函数do_p
8、age_fault，理解page fault的处理流程和方法。 提示： 虚拟地址空间中最低的4MB被保留作为NULL指针 vtopte(vaddr)：是一个宏定义，用于获取虚拟地址vaddr对应的页表项（PTE）的指针 invlpg：invalidate TLB entryROM BIOSEPOS虚拟地址空间C000-00000FFFF-FFFFPage dir.BFC0-0000BFEF-F000USER_MAX_ADDRKERN_MIN_ADDRfreemapKernel heap400-0000NULLUSER_MIN_ADDRKERN_MAX_ADDR20 Page tablesBFF
9、0-0000实验内容 增加两个系统调用， 获取系统的ticks ticks记录了EPOS启动以来定时器中断的次数，可以用于粗略的计时 请参考timer.c 获取系统已经触发的page fault的次数 自行实现 在app/main.c中创建一个新线程tsk_loop 为tsk_loop申请5MB的栈 在tsk_loop中，定义局部变量int arr10241024 sizeof(arr)=sizeof(int)*1024*1024=4MB;实验内容 tsk_loop分别执行如下两个循环 for(i = 0; i 1024; i+) for(j = 0; j 1024; j+) arrij = i-j; for(j = 0; j 1024; j+) for(i = 0; i 1024; i+) arrij = i-j; 比较两个循环的执行时间和触发的page fault次数 注意 在循环体的后面，必须得引用数组arr里面的某个元素，以避免编译器把局部变量arr优化掉！ 线程函数的最后，一定要调用task_exit，不能直接return！Thats allEnjoy hacking
