[MIT6.828]LAB2 Challenge 总结

Challenge 1: 大页机制的实现
没有在代码中实现，写了个步骤供参考：
0、先把预定义的PGSIZE之类的宏都更改为与大页相匹配的情况。
1、由于页大小变成了4M，所以要修改从代码，要内核4M处加载。
3、page_init()中内存布局也会发生对应变化，低端4M保留给实模式和IO映射，然后4M-8M是内核代码数据，8M-16M可以用来放置页目录以及物理页面数据结构，其他空闲。
4、用于页面映射的操作的pgdir_walk(),page_insert(),page_remove(),page_lookup(),boot_map_segment()这些函数要修改，首先是物理寻址只需要页目录一层就足够了，其次要给页属性加上PTE_PS标志位用来表示大页。
5、映射物理内存到线性内存的时候需要注意这时候内核栈没有页对齐，而是在内核代码数据这个大页里面，内核栈也可以不用映射，用bootstacktop变量代替。但是数据溢出后会覆盖内核代码及其以前的区域，不能保证安全性（原内核栈数据溢出后会挂死，因为访问了未映射的页）。如果想要使用跟原内核一样的行为，必须修改内核代码，把栈和代码分开，例如放到内核开头的，这时候第3步的内存布局发生变化。在映射完毕的时候也需要注意为了防止溢出影响到别的数据，要用一页的虚拟内存映射为空放到内核栈的下面。

Challenge 2:添加showmappings dump等查看内存/页 的命令
在monitor.c文件中实现了如下命令：
1、showmapping(别名sm）：用来显示页面映射状态（monitor.c/show_mapping() pmap.h/pagepri2str()）

//kern/monitor.c #define TESTERR(a) {if(a) goto ERR;} #define LERR ERR:{cprintf("Wrong parameters!\n");return 0;}

//kern/pmap.h static inline char * pagepri2str(pte_t pte, char *buf) { int i; static const char *str[]={"_________SR_","AVLGPDACTUWP"}; for(i=0; i<12; ++i) { buf[i] = str[(pte>>(11-i))&0x1][i]; } buf[i] = '\0'; return buf; }

int show_mapping(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { uint32_t begin ,end; char *endptrb, *endptre; if (argc == 2)//sm addr { begin = ROUNDDOWN((uint32_t)strtol(argv[1], &endptrb, 0),PGSIZE); end = begin + PGSIZE; TESTERR ( *endptrb != '\0'); } else if (argc == 3)//sm beginaddr endaddr { begin = ROUNDDOWN((uint32_t)strtol(argv[1], &endptrb, 0),PGSIZE); end = ROUNDUP((uint32_t)strtol(argv[2], &endptre, 0),PGSIZE); TESTERR ( *endptrb != '\0' || *endptre != '\0'); } else { goto ERR; } cprintf("\tVirtual\t\tPhysical\tPriority\tRefer\n"); for (; begin!=end; begin += PGSIZE) { struct Page *pp; pte_t *ppte; char buf[13]; pp = page_lookup(PGADDR(PDX(VPT),PDX(VPT),0), (void *)begin, &ppte); if (pp == NULL || *ppte ==0) cprintf("\t%08x\t%s\t%s\t\t%d\n", begin, "Not mapping", "None", 0); else cprintf("\t%08x\t%08x\t%s\t%d\n", begin, page2pa(pp),pagepri2str(*ppte, buf), pp->pp_ref ); } return 0; ERR: cprintf("Wrong parameters!\n"); return 0; }

2、spp：设置页面属性(monitor.c/set_pagepriority() pmap.h/str2pagepri())

//kern/pmap.h static inline int str2pagepri(const char *buf) { int pri = 0; while (*buf != '\0') { switch (*buf++) { case 'p': case 'P': STPTE_P(pri); break; case 'w': case 'W': STPTE_W(pri); break; case 'u': case 'U': STPTE_U(pri); break; case 't': case 'T': STPTE_PWT(pri); break; case 'c': case 'C': STPTE_PCD(pri); break; case 'a': case 'A': STPTE_A(pri); break; case 'd': case 'D': STPTE_D(pri); break; /*case 'p': case 'P': STPTE_PS(pri); break; */ default: break; } } return pri; }

int set_pagepriority(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { uint32_t pte ; uint32_t begin; pte_t * ppte; struct Page *pp; char *endptr; char buf_old[13],buf_new[13]; if (argc != 3 && argc != 4) goto ERR; begin = ROUNDDOWN((uint32_t)strtol(argv[1], &endptr, 0),PGSIZE); TESTERR (*endptr != '\0'); pp = page_lookup(PGADDR(PDX(VPT),PDX(VPT),0), (void *)begin, &ppte); if (pp == NULL || *ppte == 0) { cprintf("\tVirtual\t\tPhysical\tOld Priority\tNew Priority\tRefer\n"); cprintf("\t%08x\t%s\t%s\t\t%s\t\t%d\n",begin, "No Mapping", "None", "None", 0); return 0; } pte = *ppte; if (argc == 3) { if(*argv[2] == '+')//spp pageaddr +pri { *ppte |=str2pagepri(argv[2]+1); } else if (*argv[2] == '-')//spp pageaddr -pri { *ppte &= ~str2pagepri(argv[2]+1); } else//spp pageaddr pri { *ppte = PTE_ADDR(*ppte)|strtol(argv[2], &endptr, 0); TESTERR ( *endptr != '\0'); } } else { if( *argv[2] == '+') //spp pageaddr +pri1 -pri2 { if ( *argv[3] == '-') { *ppte = (*ppte|str2pagepri(argv[2]+1))& (~str2pagepri(argv[3]+1)); } } } TODO: if (ISPTE_P(pte) != ISPTE_P(*ppte)) { if (ISPTE_P(pte)) pp->pp_ref --; else pp->pp_ref ++; } cprintf("\tVirtual\t\tPhysical\tOld Priority\tNew Priority\tRefer\n"); cprintf("\t%08x\t%08x\t%s\t%s\t%d\n", begin, page2pa(pp), pagepri2str(pte,buf_old), pagepri2str(*ppte, buf_new), pp->pp_ref); return 0; ERR: cprintf("Wrong parameters!\n"); return 0; }

3、dump：查看内存的内容(dump()函数)

int dump(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { int flag = 0; uint32_t begin,end; char *endptrb, *endptre; TESTERR (argc !=2 && argc != 3 && argc !=4); if (argc == 2) // dump addr (Virtual Address) { begin = strtol(argv[1], &endptrb, 0); end = begin + 16; TESTERR(*endptrb != '\0'); } else if (argc == 3) { if (*argv[1]== '-') { if (argv[1][1] == 'p') //dump -p addr (Physical Address) flag = 1; else TESTERR (argv[1][1] != 'v');//dump -v addr (Virtual Address) begin = strtol(argv[2], &endptrb, 0); end = begin +16; TESTERR(*endptrb!='\0'); } else { //dump xxxx xxxx begin = strtol(argv[1], &endptrb, 0); end = strtol(argv[2], &endptre, 0); TESTERR (*endptrb != '\0' || *endptre != '\0'); } } else { if (strcmp(argv[1],"-p") == 0) //dump -p beginaddr endaddr (Physical Address) flag =1; else TESTERR (strcmp(argv[1], "-v") !=0 ); //dump -v beginaddr endaddr (Virtual Address) begin = strtol(argv[2], &endptrb, 0); end = strtol(argv[3], &endptre, 0); TESTERR (*endptrb != '\0' || *endptre != '\0'); } if (flag) { //process physical memory if (begin > maxpa || end > maxpa) { cprintf("Over than max physical memory\n"); return 0; } begin = (uint32_t)KADDR(begin); end = (uint32_t)KADDR(end); } while (begin <end) { int i; pte_t *ppte; cprintf("%08x ",begin); if (page_lookup(PGADDR(PDX(VPT),PDX(VPT),0), (void *)begin, &ppte) == NULL || *ppte == 0) { cprintf("No Mapping\n"); begin += PGSIZE - begin%PGSIZE; continue; } cprintf("%08x\t", PTE_ADDR(*ppte)|PGOFF(begin)); for (i=0; i < 16 ; i++, begin ++) { cprintf("%02x ",*(unsigned char *)begin); } cprintf("\n"); } return 0; ERR: cprintf("Wrong parameters!\n"); return 0; }
具体内容见附件，命令使用方法见help命令

Challenge 3: 用户态4G虚拟地址可用的设计方案
1、权限转化方式
只使用调用门来从用户态转向内核态。
2、内核映射方式
首先寻找未被使用的虚拟地址，如果找不到，则兑换出一块内存到硬盘，把兑换信息记录到内核中，把该块地址映射到内核，标志为kenel权限，并更改调用门中或者其他hardcoding的内核地址（为了这里修改方便，内核重要虚拟地址尽量不要写死，可以用宏的方式来实现）。跳转的新映射的内核地址，然后根据已保存信息将旧页恢复（标记为空闲或者把曾经兑换到硬盘的页读入进来）。
3、异常处理机制
用户程序访问到被内核占用的页面，会产生保护错误。在保护错误处理过程中，根据保护错误类型（这里是U/S权限出错）执行2操作。
4、优点：应用程序可以占用全部虚拟空间，提高了应用程序设计的灵活性，以及对需要超大内存空间程序的支持。
5、缺点：增加了内核的复杂度，降低了性能，尤其处理U/S权限保护错误的时候需要做很多操作。
6、总结：32位程序还够用的时候，64位已经大行其道；受限于机器性能，一台机器上同时运行的程序不会非常多，以及绝大多数程序不需要超大虚拟内存；以及上述的缺点使得这种行为意义不大。

Challenge 4: 给内核添加连续物理页分配功能

修改了struct Page结构，使其可以保存连续物理页分配状态，声明了一个page_alloc_list 队列保存已分配物理页，并在init_page()函数里初始化。

//inc/memlayout.h struct Page { Page_LIST_entry_t pp_link; /* free list link */ uint16_t pp_ref; uint16_t pp_cnt;//add by dave };

在pmap.c中添加了如下函数
1、void *kalloc();分配一个页并返回其内核虚拟地址

void * kalloc() { struct Page *pp; if (page_alloc(&pp) == -E_NO_MEM) return NULL; pp->pp_cnt = pp->pp_ref = 1; LIST_INSERT_HEAD(&page_alloc_list, pp, pp_link); return page2kva(pp); }

2、void *kallocs(size_t size);分配大小为size且在物理内存中连续的页；

void * kallocs(size_t size) { size = ROUNDUP(size, PGSIZE)>>PGSHIFT; int i ,j; for (i=j=0; i<npage; i++) { if(pages[i].pp_ref == 0) { if (++j == size) break; } else j = 0; } if (j != size) return NULL; for(j= i-size; i>j; i--) { LIST_REMOVE(pages+i, pp_link); page_initpp(pages+i); pages[i].pp_ref = 1; } pages[++i].pp_cnt = size; LIST_INSERT_HEAD(&page_alloc_list, pages+i, pp_link); return page2kva(pages+i); }
3、void kfree(void *ptr);释放内存

void kfree(void *ptr) { struct Page *pp = kva2page(ptr); LIST_REMOVE(pp, pp_link); for(;pp->pp_cnt>0; pp->pp_cnt-- ) { pp[pp->pp_cnt-1].pp_ref = 0; page_free(pp+pp->pp_cnt-1); } }

4、void kffree(void *ptr);强制释放处于连续分配页中的内存页（从当前地址释放到连续分配的末尾）

void kffree(void *ptr) { physaddr_t hpa, pa = PADDR(PTE_ADDR(ptr)); int count , seq; if (kpage_status(pa, &hpa, &count) <=0) return ; if (pa != hpa) { seq = (pa -hpa)>>PGSHIFT; pages[PPN(hpa)].pp_cnt = seq; pages[PPN(pa)].pp_cnt = count -seq; LIST_INSERT_HEAD(&page_alloc_list, pa2page(pa), pp_link); } kfree(ptr); }
5、int kpage_status(physaddr_t pa, physaddr_t *head_pa, int *cnt); 查询位于pa处物理页面的信息
int kpage_status(physaddr_t pa, physaddr_t *head_pa, int *count) { if (head_pa== NULL || count == NULL ) return -1; int pn = PPN(pa); if (pn > npage) return -1; if (pages[pn].pp_ref == 0) return 0; if(pages[pn].pp_cnt !=0) { *head_pa = PTE_ADDR(pa); *count = pages[pn].pp_cnt; } else { //searh head; int i; for (i=2,pn--; pn>0; pn--,i++) { if (pages[pn].pp_cnt !=0 ) { *head_pa = page2pa(pages+pn); *count = pages[pn].pp_cnt; break; } } } return 1; }

Challenge 5: 添加分配/查看/释放页的命令
在monitor.c中实现了如下命令
1、allocpage: 分配一个或者多个页(alloc_pages()函数)

int alloc_pages(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { int n = 1 , i = 1; void *ptr; char *endptr; TESTERR (argc != 1 && argc != 2 && argc !=3); if (argc != 1) { if (argc == 3) { //allocpage -s xxxx i = 2; TESTERR(strcmp(argv[1], "-s")!=0); } n = strtol(argv[i], &endptr, 0); TESTERR(*endptr != '\0'); } if (i == 2) { // alloc physical sequence pages if ((ptr = kallocs(n<<PGSHIFT)) == NULL) { cprintf("No enough memory\n"); } else { cprintf("Allocated:\n"); for(i=0; i<n; i++) { cprintf("\t%08x",PADDR(ptr)+(i<<PGSHIFT)); } cprintf("\n"); } } else { //alloc any pages cprintf ("Allocated:\n"); for (i=0 ;i<n; i++) { if ( (ptr=kalloc()) ==NULL) { cprintf("\nNo enough memory\n"); break; } else cprintf("\t%08x",PADDR(ptr)); } cprintf("\n"); } return 0; ERR: cprintf("Wrong parameters!\n"); return 0; }
2、freepage: 释放一个或者多个页(free_pages()函数)

int free_pages(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { TESTERR(argc !=2 && argc !=3); int ret ,cnt, i=1 ,force = 0; physaddr_t pa,hpa; char *endptr; if (argc == 3) { TESTERR(strcmp(argv[1], "-f") !=0 ); //freepage -f pageaddr argv[1] = argv[2]; i = 2; force = 1; } pa = strtol(argv[i], &endptr, 0); TESTERR( *endptr != '\0'); ret = page_status(2, argv, tf); if (ret != 2) return 0; kpage_status(pa, &hpa, &cnt); if( PTE_ADDR(pa) == hpa ) kfree(KADDR(hpa)); else { if (force) { kffree(KADDR(pa)); } else { cprintf("Must free from head page, or use -f option!\n"); return 0; } } page_status(2, argv, tf); return 0; LERR; }
3、pagestatus: 查看指定页面状态(page_status()函数)
int page_status(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { TESTERR(argc != 2); char *endptr; int ret ,cnt; physaddr_t hpa, pa = strtol(argv[1], &endptr, 0); TESTERR(*endptr != '\0'); if (PPN(pa)> npage) { cprintf ("More than physical memory!\n"); return 0; } ret = kpage_status(pa, &hpa, &cnt); if (ret < 0) { cprintf("Check status error!\n"); return 0; } else if(ret == 0) { cprintf("Page %08x free\n" ,PTE_ADDR(pa)); return 1; } else { cprintf("Page %08x allocated, head page: %08x, count: %d, sequnce: %d .\n",PTE_ADDR(pa), hpa, cnt, (pa-hpa)>>PGSHIFT); return 2; } return 0; LERR; }
修改了mon_help()，和struct command结构体，使得帮助信息更完善。其他地方也做了一些小修改，使得UI更为友好，但是还有很多不足之处没有时间一一完善，其实一个人用的话没必要这么做个详细（尤其是帮助），主要是想和大家多多交流。

struct Command { const char *name; const char *desc; const char *usage; // return -1 to force monitor to exit int (*func)(int argc, char** argv, struct Trapframe* tf); }; int mon_help(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf) { int i; if (argc == 2) { for (i = 0; i< NCOMMANDS; i++) { if (strcmp(argv[1], commands[i].name) == 0) break; } if (i >= NCOMMANDS) cprintf("Command \"%s\" hasn't been implemented\n", argv[1]); else { cprintf ("%s\n\nUsage: %s\n",commands[i].desc, commands[i].usage); } } else{ for (i = 0; i < NCOMMANDS; i++) cprintf("%s - %s\n", commands[i].name, commands[i].desc); cprintf("\n%s\n",commands[0].usage); } return 0; }

EOF