6.S081-2021-Lab3 Pgtbl学习笔记

Speed up system calls

根据hints查看kernel/proc.c中的函数proc_pagetable

// kernel/proc.c
// Create a user page table for a given process,
// with no user memory, but with trampoline pages.
pagetable_t
proc_pagetable(struct proc *p)
{
  // map the trampoline code (for system call return)
  // at the highest user virtual address.
  // only the supervisor uses it, on the way
  // to/from user space, so not PTE_U.
  if(mappages(pagetable, TRAMPOLINE, PGSIZE,
              (uint64)trampoline, PTE_R | PTE_X) < 0){
    uvmfree(pagetable, 0);
    return 0;
  }

  // map the trapframe just below TRAMPOLINE, for trampoline.S.
  if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,
              (uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){
    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
    uvmfree(pagetable, 0);
    return 0;
  }
  ....
}

结合代码以及手册，USYSCALL页面的位置在heap之前，trapfram之后

only read 对应赋予PTE_R | PTE_U

// kernel/proc.c
...
  // map the trapframe just below TRAMPOLINE, for trampoline.S.
  if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,
              (uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){
    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
    uvmfree(pagetable, 0);
    return 0;
  }
  // map the usyscall just below TRAPFRAME
  if (mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE,
              (uint64) (p->usyscall), PTE_R | PTE_U) < 0) {
      uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
      uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
      uvmfree(pagetable, 0);
      return 0;
  }
  return pagetable;

分配和初始化页面

• Don't forget to allocate and initialize the page in allocproc().

在allocate函数中参考empty user page的方式依葫芦画瓢为usyscall分配空间

同时要记得将pid返回到用户态，这样才能在用户态直接使用pid

在kernel/proc.h的struct proc中添加 struct usyscall* usyscall

  ....
  // Allocate a USYSCALL page.
  if((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0)  {
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }
  p->usyscall->pid = p->pid;

  // An empty user page table.
  p->pagetable = proc_pagetable(p);
  if(p->pagetable == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }
  ...

解除映射的部分有两个函数要修改

• Make sure to free the page in freeproc().

这里一定要释放，不然后面的test过不了

在函数proc_freepagetable添加代码

  // Free a process's page table, and free the
  // physical memory it refers to.
  void
  proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz)
  {
    // free USYSCALL
    uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
    uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);
    uvmfree(pagetable, sz);
  }

在函数freeproc添加代码

  static void
  freeproc(struct proc *p)
  {
    if(p->trapframe)
      kfree((void*)p->trapframe);
    p->trapframe = 0;
    if (p->usyscall)
        kfree((void *) p->usyscall);
    if(p->pagetable)
      proc_freepagetable(p->pagetable, p->sz);
    ...
  }

Print a page table

在exec.c文件的return argc语句前插入if(p->pid==1) vmprint(p->pagetable)

参考freewalk

void
freewalk(pagetable_t pagetable)
{
  // 一张页表由512个页表项(PTE)组成
  for(int i = 0; i < 512; i++){
    // 取出当前页表项
    pte_t pte = pagetable[i];
    // 当该条目有效，但却无法读、写、执行的时候
    // 说明这是一条指向子页面的PTE，递归遍历子页面
    if((pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0){
      // this PTE points to a lower-level page table.
      uint64 child = PTE2PA(pte);
      freewalk((pagetable_t)child);
      pagetable[i] = 0;
    } else if(pte & PTE_V){
      panic("freewalk: leaf");
    }
  }
  kfree((void*)pagetable);
}

我们的vmprint基本就是copy freewalk只不过不需要free页面

照着格式来

在kernel/vm.c编写函数vmprint，别忘了在kernel/defs.h中声明

void
backtrace(pagetable_t pagetable, int level)
{
  for(int i = 0; i < 512; i++){
    pte_t pte = pagetable[i];
    if ((pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R | PTE_W | PTE_X)) == 0) {
      uint64 child = PTE2PA(pte);
      for (int j=0; j <= level; j++) {
        printf("..");
        if ((j+1) <= level) {
          printf(" ");
        }
      }
      printf("%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);
      backtrace((pagetable_t)child, level+1);
    }
    else if (pte & PTE_V) {
      uint64 child = PTE2PA(pte);
      printf(".. .. ..%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);
    }
  }
}
   
void vmprint(pagetable_t pagetable)
{
  printf("page table %p\n", pagetable);
  backtrace(pagetable, 0);
}

Detecting which pages have been accessed

这个实验需要我们判断页面是否被访问过，为此需要添加一个标志位PTE_A来标识页面是否被访问过

• You'll need to define PTE_A, the access bit, in kernel/riscv.h. Consult the RISC-V manual to determine its value.

根据提示查阅手册

在kernel/riscv.h中添加

#define PTE_A (1L << 6) // access bit

• You'll need to parse arguments using argaddr() and argint()
• First, it takes the starting virtual address of the first user page to check. Second, it takes the number of pages to check. Finally, it takes a user address to a buffer to store the results into a bitmask (a datastructure that uses one bit per page and where the first page corresponds to the least significant bit)

根据这两个提示我们可以猜测出三个参数的类型应该分别为uint64,int,uint64，分别是第一个需要检查的用户页的虚拟地址，要检查的页表数，以及输出结果的用户态地址(因为内核态跟用户态的空间是不互通的，所以要借助 copyout 将 bitmask 传给用户态程序)

根据参数可以知道我们是要查看n个页的，问题是只给了第一个用户页的虚拟地址，之后的n个页怎么查看。其实只需要每次循环加上页表大小PGSIZE就能到下一个页了

同时我们来看一下walk，它的作用是根据虚拟地址返回页表中对应的PTE

pte_t *
walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc)
{
  if(va >= MAXVA)
    panic("walk");

  for(int level = 2; level > 0; level--) {
    // 主要注意这里，请结合下图理解
    pte_t *pte = &pagetable[PX(level, va)];
    if(*pte & PTE_V) {
      pagetable = (pagetable_t)PTE2PA(*pte);
    } else {
      if(!alloc || (pagetable = (pde_t*)kalloc()) == 0)
        return 0;
      memset(pagetable, 0, PGSIZE);
      *pte = PA2PTE(pagetable) | PTE_V;
    }
  }
  return &pagetable[PX(0, va)];
}

#define PGSHIFT 12  // 对应图中的offset
#define PXSHIFT(level)  (PGSHIFT+(9*(level))) //L2 L1 L0 都是9位，+9*level是为了定位到对应的level上
#define PX(level, va) ((((uint64) (va)) >> PXSHIFT(level)) & PXMASK) //获得L2或L1，L0的bits

明白了walk的功能就可以完成这一部分的任务了

• 通过虚拟地址VA确定PTE(walk来完成)
• 检查PTE的标志位PTE_A是否为1，1表示被访问过
  • 记得将PTE_A清0，以防影响再次调用sys_pgaccess时影响判断
• VA+=PGSIZE得到下一个页面的虚拟地址

#ifdef LAB_PGTBL
uint64
sys_pgaccess(void)
{ 
  uint64 va;
  int page_num;
  uint64 user_bitmask_addr;
  if(argaddr(0, &va) < 0)
    return -1;
  if(argint(1, &page_num) < 0)
    return -1;
  if(argaddr(2, &user_bitmask_addr) < 0)
    return -1;
  // 32是看test得出来的
  // It's okay to set an upper limit on the number of pages that can be scanned.
  if(page_num < 0 || page_num > 32)
    return -1;
  
  uint32 bitmask = 0;
  pte_t *pte;
  struct proc *p = myproc();

  for(int i = 0; i < page_num; i++){
    if(va >= MAXVA)
      return -1;
	// alloc不为0，walk就会为找不到对应pte地址的va申请一个页
    // 显然不存在，就表示没有被访问过
    // 我们无需创建页，这不是当前函数的职责
    pte = walk(p->pagetable, va, 0);
    
    if(pte == 0)
      return -1;
    if(*pte & PTE_A){
      bitmask |= (1 << i);
      // Be sure to clear PTE_A after checking if it is set.
      *pte &= (~PTE_A);
    }
    va += PGSIZE;    
  }

  if(copyout(p->pagetable, user_bitmask_addr, (char*)&bitmask, sizeof(bitmask)) < 0)
    return -1;
  return 0;
}
#endif