[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(&quot;/tVirtual/t/tPhysical/tPriority/tRefer/n&quot;);
	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(&quot;/t%08x/t%s/t%s/t/t%d/n&quot;, begin, &quot;Not mapping&quot;, &quot;None&quot;, 0);
		else
			cprintf(&quot;/t%08x/t%08x/t%s/t%d/n&quot;, begin, page2pa(pp),pagepri2str(*ppte, buf), pp-&gt;pp_ref );
	}

	return 0;
ERR:
	cprintf(&quot;Wrong parameters!/n&quot;);
	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(&quot;/tVirtual/t/tPhysical/tOld Priority/tNew Priority/tRefer/n&quot;);
		cprintf(&quot;/t%08x/t%s/t%s/t/t%s/t/t%d/n&quot;,begin, &quot;No Mapping&quot;, &quot;None&quot;, &quot;None&quot;, 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-&gt;pp_ref --;
		else
			pp-&gt;pp_ref ++;
	}

	cprintf(&quot;/tVirtual/t/tPhysical/tOld Priority/tNew Priority/tRefer/n&quot;);
	cprintf(&quot;/t%08x/t%08x/t%s/t%s/t%d/n&quot;, begin,  page2pa(pp),  pagepri2str(pte,buf_old), pagepri2str(*ppte, buf_new), pp-&gt;pp_ref);
	return 0;
ERR:
	cprintf(&quot;Wrong parameters!/n&quot;);
	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],&quot;-p&quot;) == 0) //dump -p beginaddr endaddr (Physical Address)
			flag =1;
		else TESTERR (strcmp(argv[1], &quot;-v&quot;) !=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 &gt; maxpa || end &gt; maxpa)
		{
			cprintf(&quot;Over than max physical memory/n&quot;);
			return 0;
		}
		begin = (uint32_t)KADDR(begin);
		end = (uint32_t)KADDR(end);
	}

	while (begin &lt;end)
	{
		int i;
		pte_t *ppte;
		cprintf(&quot;%08x &quot;,begin);
		if (page_lookup(PGADDR(PDX(VPT),PDX(VPT),0), (void *)begin, &ppte) == NULL
			|| *ppte == 0)
		{
			cprintf(&quot;No Mapping/n&quot;);
			begin += PGSIZE - begin%PGSIZE;
			continue;
		}
		cprintf(&quot;%08x/t&quot;, PTE_ADDR(*ppte)|PGOFF(begin));
		for (i=0; i &lt; 16 ; i++, begin ++)
		{
			cprintf(&quot;%02x &quot;,*(unsigned char *)begin);
		}
		cprintf(&quot;/n&quot;);
	}
	return 0;
ERR:
	cprintf(&quot;Wrong parameters!/n&quot;);
	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) &lt;=0)
		return ;
	if (pa != hpa)
	{
		seq = (pa -hpa)&gt;&gt;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], &quot;-s&quot;)!=0);
		}
		n = strtol(argv[i], &endptr, 0);
		TESTERR(*endptr != '/0');
	}
	if (i == 2)
	{	// alloc physical sequence pages
		if ((ptr = kallocs(n&lt;&lt;PGSHIFT)) == NULL)
		{
			cprintf(&quot;No enough memory/n&quot;);
		}
		else
		{
			cprintf(&quot;Allocated:/n&quot;);
			for(i=0; i&lt;n; i++)
			{
				cprintf(&quot;/t%08x&quot;,PADDR(ptr)+(i&lt;&lt;PGSHIFT));
			}
			cprintf(&quot;/n&quot;);
		}
	}
	else
	{	//alloc any pages
		cprintf (&quot;Allocated:/n&quot;);
		for (i=0 ;i&lt;n; i++)
		{
			if ( (ptr=kalloc()) ==NULL)
			{
				cprintf(&quot;/nNo enough memory/n&quot;);
				break;
			}
			else
				cprintf(&quot;/t%08x&quot;,PADDR(ptr));
		}
		 cprintf(&quot;/n&quot;);
	}

	return 0;
ERR:
	cprintf(&quot;Wrong parameters!/n&quot;);
	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], &quot;-f&quot;) !=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(&quot;Must free from head page, or use -f option!/n&quot;);
			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)&gt; npage)
	{
		cprintf (&quot;More than physical memory!/n&quot;);
		return 0;
	}
	ret = kpage_status(pa, &hpa, &cnt);
	if (ret &lt; 0)
	{
		cprintf(&quot;Check status error!/n&quot;);
		return 0;
	}
	else if(ret == 0)
	{
		cprintf(&quot;Page %08x free/n&quot; ,PTE_ADDR(pa));
		return 1;
	}
	else
	{
		cprintf(&quot;Page %08x allocated, head page: %08x, count: %d, sequnce: %d ./n&quot;,PTE_ADDR(pa), hpa, cnt, (pa-hpa)&gt;&gt;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

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