30天自制操作系统——Day9实验报告

一、实验主要内容

1、 内容1：整理源文件

重点总结：因为解决鼠标处理问题而导致程序变大了很多，所以准备整理程序

在bootpack.h里加上了函数声明，并在Makefile中将keyborad.obj, mouse.obj也补进去

2、 内容2： 内存容量检查（1）

重点总结：进行内存检查首先要搞清楚“内存有多大”、“内存地址范围”。 虽然可以使用BIOS检查内存容量，但调用BOIS会使asmhead.nas变长，同时BIOS版本不同，BIOS的调用方式也不同。因此决定自己检查内存。
（1）内存检查步骤
Step1：让486以后的CPU的高速缓存功能无效
为了提高执行速度，在每次访问内存时，都要将所访问的地址和内容存入高速缓存里。在每次写入数据时，要首先更新高速缓存信息，然后再写入内存。
（问题：为什么要使高速缓存的功能无效）
我们通过循环：”for(i=0; i<100; i++){}这样检查内存信息。 因为缓存控制电路发现，i被频繁的引用和赋值。所以在写入值不断变化时，不写入内存，而是在缓存内处理。这样写入和读出的不是内存，内存检查的结果也就不正确了。
386的CPU没有缓存，486的CPU就有缓存了。因此我们需要先查看CPU是否在486以上，判断是否需要关闭高速缓存。
Step2：两次反转检查内存
通过设计两次数值反转，如果其中一次数据结果不正确，则终止调查，并报告终止时的地址（错误地址）

（2）bootpack.c——memtest, memtest_sub
Memtest:

1、 内容说明
首先需要判断是否为CPU类型，若为486CPU则将EFLAGS寄存器的第18为AC标志位设置为0.（①②③）
另外还需要修改CR0寄存器中的标志位来禁止使用缓存。再获得内存大小后，重新恢复缓存设置。（④⑤）
2、 load_cr0, store_cr0
这两个函数不同使用C语言写，只能用汇编语言写，内容如下：

memtest_sub

1、内容说明
调查从start地址到end地址范围内，能够使用的内存的末尾地址。
（问题：为什么for循环中 I += 0x1000？）
由检测代码可知，每次反转是对4个字节的数据进行操作。也就是每次要检查4个字节，因此i+=0x1000(4)
2、函数优化
如果要检查全部的内存，速度就太慢了。因此改为”p = i+0xffc”，每次只检查末尾的4个字节（系统启动时内存已经被仔细检查过了）。
（3）结果展示

（为什么不是32MB呢？）

3、内容3： 内存容量检查（2）

重点总结：在禁止缓存后检查内存容量，结果竟然超过了32MB！我们探究其中原因，发现竟是编译器做了最优化处理。为了解决这个问题我们用汇编重写了此函数。
（1） 编译器的最优化处理过程
我们用make -r bootpack.nas将bootpack.c编译成了机器语言。并发现了如下编译结果：

理解此汇编语言发现，编译后只执行了for语句，并没有进行反转检查。
（问题：为什么编译后反转不见了，只剩下for语句？）

1. 省略if判断语句：
   p赋值pat0后取反值与pat1值肯定相同，后面取反同理。因此为了提高速度，编译器将这部分判断删掉了。 （如图）
   
2. 删除两次反转
   两次反转后会回到原来状态，因此也可以删除（如图）
3. 删除p赋值为pat0
   因为p之后会赋值为old，pat0赋值无效可以删除
   
4. 产出old无效写入
   Old值为p原先内存值。因此再次赋值是无效操作，可以删除。
   最终通过编译器的优化处理，我们得到了如下程序：
   
   效果与之前所得的汇编代码相同，只剩下了for语句。

（2）汇编语言重写内存检查处理函数：



删除bootpack.c中的memtest_sub函数。
（2）结果展示

成功执行内存检查，获得内存容量32MB

4、 内容4： 挑战内存管理

重点总结：为了应付操作系统工作中的内存需求，需要进行内存管理。其中包括“内存分配”、“内存释放”。我们学习了两种方式：“内存区域划分”与“可用内存管理表”实现内存管理。
（1）bootpack.c
Mdec.x, mdec.y表示鼠标向横向、纵向移动的大小。可以用此实现鼠标移动

（2）“可用内存空间管理表”
1）可用内存空间管理表结构

2）可用空间管理初始化

将frees初始化为0，可以理解为初始状态下，内存无可用空间。

3）可用内存空间实际大小

遍历可用空间列表，返回可用内存大小之和。
4）分配指定大小内存

（问题：如何分配指定大小内存？）
Step1：找到可用空间
遍历空间列表，找到第一个符合条件的可用空间。

Step2：分配空间并动态改变原可用空间信息
取出指定大小内存空间，并更新取出部分空间的地址和剩余可用空间大小

Step3：处理可用空间为0时特殊情况
若更新后可用空间剩余容量大小为0，则舍去该空间。列表后续元素前移。并使frees–
因为先进行了frees—操作，所以后续移动时是令free[i] = free[i+1]的。

5）释放内存
（问题： 释放内存时空间归纳的几种情况？）
Step1：找到释放内存地址相邻的可用空间下标：
遍历空间列表，找到第一个地址大于addr的下标i。

Step2：判断所释放的内存空间能否与前一个可用内存空间融合：
若所释放内存的起始地址是前一个可用内存空间的末尾地址([i-1]addr+[i-1].size)，则将此内存空间归入前一可用内存空间[i-1]，否则跳入Step3。 然后，需要判断后一个内存空间[i]的起始地址是否与此空间的末尾地址(addr+size)是否重合，若重合，则将后一可用内存空间[i]也加入新合并的内存空间[i-1]。此时空间列表中元素数量减少1，故需要使frees–。

Step3：判断所释放的内存空间能否与后一个可用内存空间融合：
需要判断后一个内存空间[i]的起始地址是否与此空间的末尾地址(addr+size)是否重合。若重合，则将后一内存空间起始地址前一位addr，并增加对应可用内存空间大小。否则跳入Step4。

Step4：若不与相邻可用空间地址重合，新开辟可用空间：
若释放的内存空间不能与相邻空间[i], [i-1]重合，则新开辟可用空间。新的可用内存空间在空间列表的下标为i，将原来下标为i->frees的元素一次后移一位，并增大空间列表的当前最大可用值frees。

6）应用

（3）结果展示

成功的建立了内存模式

二、遇到的问题及解决方法

填写说明：分条目列出本次的实验过程中遇到的问题和解决方法（可注明是哪位同学帮忙解决问题），描述问题时应配上相关的截图和标记，描述解决方法时应先分析出现该问题的原因再讲解决方法，尽量详细。

1、 描述问题1：内存检查前为什么要使高速缓存的功能无效？

我们通过循环：”for(i=0; i<100; i++){}这样检查内存信息。 因为缓存控制电路发现，i被频繁的引用和赋值。所以在写入值不断变化时，不写入内存，而是在缓存内处理。这样写入和读出的不是内存，内存检查的结果也就不正确了。
386的CPU没有缓存，486的CPU就有缓存了。因此我们需要先查看CPU是否在486以上，判断是否需要关闭高速缓存。

2、 描述问题2：在内存检测中为什么每次遍历跳转的步长为0x1000？

由检测代码可知，每次反转是对4个字节的数据进行操作。也就是每次要检查4个字节，因此i+=0x1000(4)

3、 描述问题3：C语言写的内存检测函数为什么在编译后反转不见了，只剩下for语句？

1. 省略if判断语句：
   p赋值pat0后取反值与pat1值肯定相同，后面取反同理。因此为了提高速度，编译器将这部分判断删掉了。 （如图）
2. 删除两次反转
   两次反转后会回到原来状态，因此也可以删除
3. 删除p赋值为pat0
   因为p之后会赋值为old，pat0赋值无效可以删除
4. 产出old无效写入
   Old值为p原先内存值。因此再次赋值是无效操作，可以删除。
   效果与之前所得的汇编代码相同，只剩下了for语句。

4、 描述问题4：如何分配指定大小内存？

Step1：找到可用空间
遍历空间列表，找到第一个符合条件的可用空间。
Step2：分配空间并动态改变原可用空间信息
取出指定大小内存空间，并更新取出部分空间的地址和剩余可用空间大小
Step3：处理可用空间为0时特殊情况
若更新后可用空间剩余容量大小为0，则舍去该空间。列表后续元素前移。并使frees–
因为先进行了frees—操作，所以后续移动时是令free[i] = free[i+1]的。

5、 描述问题3：释放内存时空间归纳的几种情况？

Step1：找到释放内存地址相邻的可用空间下标：
遍历空间列表，找到第一个地址大于addr的下标i。
Step2：判断所释放的内存空间能否与前一个可用内存空间融合：
若所释放内存的起始地址是前一个可用内存空间的末尾地址([i-1]addr+[i-1].size)，则将此内存空间归入前一可用内存空间[i-1]，否则跳入Step3。 然后，需要判断后一个内存空间[i]的起始地址是否与此空间的末尾地址(addr+size)是否重合，若重合，则将后一可用内存空间[i]也加入新合并的内存空间[i-1]。此时空间列表中元素数量减少1，故需要使frees–。
Step3：判断所释放的内存空间能否与后一个可用内存空间融合：
需要判断后一个内存空间[i]的起始地址是否与此空间的末尾地址(addr+size)是否重合。若重合，则将后一内存空间起始地址前一位addr，并增加对应可用内存空间大小。否则跳入Step4。
Step4：若不与相邻可用空间地址重合，新开辟可用空间：
若释放的内存空间不能与相邻空间[i], [i-1]重合，则新开辟可用空间。新的可用内存空间在空间列表的下标为i，将原来下标为i->frees的元素一次后移一位，并增大空间列表的当前最大可用值frees。

三、程序设计创新点

1、 描述创新点1，采用最佳适应法进行连续内存分配

（1） 问题描述
作者在书中采用的是“首次适应”的连续分配算法。即从表头开始，找到足够大的孔时就停止查找。同时我们还可以采用“最佳适应法”进行连续内存分配。虽然首次适应法和最佳适应法在利用空间方面难分伯仲，但是还可以进行如此尝试。

（2） 算法分析

在书中给出的内存分配基础上，使在找到可行内存空间时继续遍历空间表，进而找到最优空间地址best_pos。接着按照一般的内存分配方案在best_pos位置分配内存。

（3） 测试分析
我们可以设计如下内存分配情况：
初始化时将分配全部内存，然后分别释放2MB, 4MB, 3MB的内存空间。接着，向内存请求3MB大小的内存空间。两种方式都会跳过2MB的可用内存空间，而常规方法会选择4MB，最佳选择法会选择3MB空间。
测试代码如图：

下面为内存分配情况简视图：

（3）结果示意

正如我们所料，（左图）为首次适应内存分配算法，它会选择4MB空间进行分配。（有图）为我们设计的最佳适应连续内存分配算法，它会选择3MB空间进行分配

2、 描述创新点2，最小替代损失法优化内存分配

（1）问题描述：
在本书的内存分配算法中，当可用内存空间已满时会割舍掉需要分配内存的那段信息。这样可能会导致一些信息丢失。
（2）算法分析：
先找到最小的空余内存段，然后与要释放的内存大小进行比较。如果最小的空余内存段较大，那么就将其扔掉，空出一个内存数量序列，然后将要释放的内存序列存入其中。
增加如下代码：