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1、虚拟内存机制实习报告目录一：总体概述3二：任务完成情况3任务完成列表(Y/N)3具体EXerCiSe的完成情况3三：遇到的困难以及解决方法29四：收获及感想29五：对课程的意见和建议30六：参考文献30一总体概述通过认真仔细阅读Nachos系统虚拟内存部分的源代码，理解虚拟内存的管理和应用机制，用户程序的运行逻辑，并修改源代码，达到“实现虚拟存储系统”的目标。二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5Exercise6Eyesyesyesyesyesyes具体Exercise的完成情况Exercise1:源代
2、码阅读Partl:阅读code/userprog/progtest.cc,着重理解nachos执行用户程序的过程，以及该过程中与内存管理相关的要点O阅读情况：用户程序执行过程：步骤相关解释在main函数中，如果检测到传入的参数和“执行用户程序”相关，那么执行StartProcess函数(progtest,cc)在StartProcess函数中装载并运行一个用户程序StartProcess函数中:1.用OpenFiIe类打开文件OpenFiIe类在文件系统中定义，包括各种对文件的基本操作，如read,writeo实质上是包装了操作系统的底层函数。2.用AddrSpace类创建一个用户空间，并将打
3、开的文件装载进去创建用户空间包括：1 .获取文件头，并将大小端做适宜转换；2 .通过文件头计算出文件所需空间，包括代码段，初始化数据段，未初始化数据段，栈空间4个部分3 .通过文件所需空间计算出文件所需的虚拟页数量4 .创建用户空间的PagDtabIa,指示了第i个虚拟页（将）对应第i个物理页5 .由于目前是最基本的【直接映射+单用户程序无切换】模式，因此此时要将所有的虚拟页中的内容写到物理页（主存）当中。3.（AddrSpace:InitRegistersO）初始化用户空间中的各种寄存器，包括PC设为0,栈指针移到空间底部为执行用户程序做准备！4.（AddrSpace:RestoreStat
4、e（）将用户的部分状态（如pagetabIe）装载到machine类中，准备执行事实上，仅仅是将用户空间的PagetabIe（在第二步创建的）装载到machine的指针中,相当于是用户程序在machine上运行时，是通过machine的pagetabIe映射找到对应内容运行的5.调用machine-Run,运行用户程序Machine-run是在mipssim.cc中定义的。其工作原理为：1.通过OneInstruction(instr)模拟mips,将一条指令进行分割，并软件模拟执行。其中，在Onelnstruction函数中，通过machine-ReadMem,读取主存中当前PC值指向的地址
5、里的指令。在ReadMem函数中,通过TransIate函数对传入的虚地址做转换。在TransIate函数中，如果虚地址没有找到对应的实地址转换，就会抛出异常（返回异常值）。返回的异常值在ReadMem中判断，并传入RaiSeException函数中RaiSeException函数会调用ExceptionHandIer函数对不同的异常做相应的处理。（以上是异常处理机制。在这里就顺便说了。）2.调用OnetiCk让时间前进3.重复1,2Part2:阅读code/machine目录下的machine,h(cc),transIate.h(cc)文件和code/userprog目录下的exceptio
6、n.h(cc),理解当前Nachos系统所采用的TLB机制和她址转换机制。TLB机制和地址转换机制:相关内容简单解释TransIationEntry类(transIate.h),包括：VirtuaIPage,physicalPage,以及一些标志位：vaIid,readonIy等。标识了用户空间的第i个虚拟页应该映射到主存的第j个物理页，并且这个物理页目前所处的状态。（valid?readnly?等）TLB初始化（machine.cc构造函数）:生成指定数量的TransIationEntry构成的数组，并且设置均为InvaIid.TLB本身就类似于PagetabIe的子集，有若干的的映射对。T
7、LB的使用（transIate.cctransIate函数）:1.遍历TLB数组，查找是否有无对应映射2.如果有，TLB命中，直接进行物理地址转换；否则，TLBMISS,进入Exception处理。（目前还没有对应的处理函数）地址转换机制：在transIate.cctransIate函数中进行。1 .通过VirtUaladdr,计算出vpn和offset;2 .通过TLB或是直接通过PagetabIe,获得vpn对应的ppn;（否则抛出异常，在异常处理函数中做处理，但目前这部分没有实现）3 .通过ppn和offset得到物理地址，将物理地址返回。无TLBmiss或是pagefau11处理（ex
8、ception.cc）:在上一个表格中已经对异常处理是如何进入的做了介绍。无但这里要补充一点：在处理完TLBmiss或是Pagefault之后，不需要将PC+4,因为异常处理函数结束后，返回的最终位置会是OneInstruction函数的取指阶段。取指失败后，OneInstruction函数会退出,然后再用同样的PC取一次指令。而这次就能够TLBhit或者Pagetablehit了。Exercise2:TLBMISS异常处理任务：修改code/userprog目录下exception.cc中的ExceptionHandIer函数，使得Nachos系统可以对TLB异常进行处理（TLB异常时，Na
9、chos系统会抛出PageFauItException,详见code/machine/machine.cc）o完成情况：关于异常处理的机理已经在EXerCiSel中说明了。因此能够对TLB异常进行处理，我们只要在判断传入的参数为TLBMlSS的异常，并对其进行处理即可。事实上，我在实际操作的时候，TLBMISS和PAGEFAULT,抛出的异常都是PageFauItException,此后再判断machine-tIb是否为空。如果为空，则执行PagefauItFunc;否则，执行TLBmiSsFuncoTLBmissFunc:步骤简单解释1.从machine的BadVAddrReg寄存器中取出发
10、生异常的虚拟地址，并算出vpn;在RaiSeException函数中,将发生异常的虚拟地址放入该寄存器的。2.扫描pagetabIe,寻找该vpn对应的项。目前情况，是一定可以找到的。由于目前用户程序运行的机理是：将所有segment全部写入主存中，并且全部做好了虚实映射，放在自己的PageTabIe中。当mechine需要加载这个用户程序时，会获得这个pagetableo于是相当于是,mechine通过这个pagetabIe,可以得到用户空间所有虚地址对应的实地址。因此当TLBMISS时，查找pagetabIe,是不会Miss的。3.接下来是寻找放入TLB的位置：1) 先考虑TLB中inva
11、Iid的项，如果存在，写入该项；2) 如果不存在invalid项，那么就涉及TLB置换算法，这在Exercise3中介绍。总之最后一定可以找到一个放置新的entry项的位置。无Exercise3:置换算法任务：为TLB机制实现至少两种置换算法，通过比较不同算法的置换次数可比较算法的优劣。完成情况：FIFO替换算法LRU替换算法1 .如果替换的是Invalid项,那么不涉及算法。2 .否则，将数组第一个项丢3.为每个entry设立一个IrU数值。当TLBHIT时，HIT项的IrIl左移加一，其余项弃，其他项向前移动一位。的IrU左移；当TLBMISS新添加的项放在数组最后时，进入异常处理函数4
12、.异常处理函数中，如果替换的是Invalid项，则将所有valid项（包括当前替换项）的Iru值清零5 .否则，扫描TLB数组，找到Lru值最小的一项进行替换，并将所有项的IrU值清零测试的用户程序将数组大小改成5的矩阵相乘：matmuIto将会分配18个物理页，TLB访问次数为15000左右。（visittime不同，是因为每次miss异常处理之后，还会再次访问该地址，因此MiSS次数不同，造成ViSittime次数也会不同。）测试结果FIFO:TLBvisittimeis15534,hittimets14475,httrateis.9318271.RU:TLBvisittimeis1532
13、7,htttimeis14429,hitrateis0.941411结论：LRU算法略优于FIFO。Exercise4:内存全局管理数据结构任务：设计并实现一个全局性的数据结构（如空闲链表、位图等）来进行内存的分配和回收，并记录当前内存的使用状态。完成情况:增改情况简单解释创建Machine类中,新增一个bitmap的数据结构memoryMNG,大小设置为物理页大小memoryMNG的母个bit对应一个物理页的分配状况内存分配Addrspace.cc构造函数中,在构建用户空间的pagetabIe时，通过bitmap的成员函数find返回第一个为0的位，将其作为空闲物理页分配。Find函数返回第
14、一个为0的位，并将该位置1。这非常符合我们的要求。如果不存在为0的位，返回7。因此我会用Assert来保证能够正确分配物理页。内存回收Exception.cchandIer函数中，关于在哪回收内存，这是个比较麻烦的问题。因为用户程序运行完毕之后，是不会离开对于exit系统调用的处理函数中，通过bitmap的成员函数CIear,将pagetabIe中的所有物理页释放，并设置该项为invaIidmachine-run的for循环的，并且在调用machine-run之后的语句也不会被执行。因此，只能在exit系统调用中回收比较可行。补充：关于exit系统调用的异常处理函数其实有点麻烦，因为用户程序可
15、以显式调用Exit,而用户程序结束之后，也会自动执行一个exit。所以，有可能会有2个exit被执行。考虑到这个情况，需要做如下处理：1)如果bitmap已经被回收过了，就break出来。2)exit处理函数之后，PC要+4。测试结果截图:phys page0 for mainisallocated.phys page1 for maintsallocated.phys page2 for mainISallocated.phys page3 for mainisallocated.phys page4 for maintsallocated.phys page5 for mainisallocated.phys page6 for maintsallocated.phys
