Ricky Yel Blog

MIT6.828-Lab2-Part2-虚拟内存

 
  • Ricky Yel
  • 2023年 06月03日

虚拟内存

Virtual, Linear and Physical Addresses

在x86体系中

  1. 一个虚拟地址由段选择子(segment selector)和段内偏移(segment offset)组成
  2. 一个线性地址由段地址转换机构(segment translation)将虚拟地址进行转换后得到
  3. 一个物理地址由分页地址转换机构(page translation)将线性地址转换后得到，这个地址最终会送到地址总线上
           Selector  +--------------+         +-----------+
          ---------->|              |         |           |
                     | Segmentation |         |  Paging   |
Software             |              |-------->|           |---------->  RAM
            Offset   |  Mechanism   |         | Mechanism |
          ---------->|              |         |           |
                     +--------------+         +-----------+
            Virtual                   Linear                Physical

Exercise2:

  1. 阅读Intel 80386 Reference Manual的5.6两章

C 指针是虚拟地址的“偏移”部分。在 boot/boot.S 中，通过全局描述符表 (GDT)将所有段基地址设置为 0 并设定界限为 0xffffffff 来有效地禁用段转换。因此 segment selector 没有作用，线性地址总是等于虚拟地址的偏移量。在lab2只需要关注 Page translation。

在lab1的part3中，将从 0x0010|0000 的 4MB 物理内存映射到了 0xf010|0000 开始的虚拟地址，在这次实验会将物理空间的头256MB内存映射到（从 0xf000|0000 开始的虚拟地址上 和 一些其他的虚拟内存空间）。

Exercise3:

  1. 在 QEMU monitor commands 页面熟悉 qemu 的操作命令
    1. xp/Nx paddr: 查看物理地址 paddr 处保存连续的 N个 words
    2. info registers: 查看寄存器
    3. info mem: 查看映射的虚拟内存地址和它们的访问权限
    4. info pg: 查看当前的页表结构：虚拟地址范围；区分是页目录条目(PDE)还是页表条目(PTE)；访问权限；物理地址范围

一旦进入了保护模式(which we entered first thing in boot/boot.S)，所以对内存的引用都会被视作虚拟地址，然后由MMU进行翻译。所以所有C指针都是虚拟地址。

JOS 内核经常需要将地址按照一种模糊的值或整数值来进行操作，而不是进行解引用(dereference)。比如MMU，肯定会涉及对VA(virtual address)和PA(physical address)的操作，那么应该如何区分呢？JOS源码使用 uintptr_t, phyaddr_t 分别代表VA，PA。但它们实际上都是 uint32_t，所以是可以互相赋值的。

可以通过强制类型转换(casting)来将 uintptr_t 转换为指针然后解引用，虽然 `phyaddr_t` 也可以这么操作，但是解引用的地址并不是真实的物理地址指向的内存，此时该物理地址被当作虚拟地址，因此是不合理的操作。

所以可以直接回答lab2的question1: x 的类型是 uintptr_t

JOS的内核有时候需要读写内存，但是却只知道物理地址。但是内核并不能直接操作物理地址，因此需要将此物理地址转换为虚拟地址才行。比如JOS将从0x0开始的物理地址映射到了从0xf000 0000开始的虚拟地址，那么内核只需要将目前已知的物理地址+0xf000 0000就可以找到对应的虚拟地址，可以使用 KADDR(pa) 来完成这个加法操作。

反之由VA得到PA的操作可以由 PADDR(va) 来完成。

Reference counting

之后的lab经常会碰到多个VA映射到同一个物理页(physical page)的情况，需要跟踪此物理页对应的 struct PageInfo 的 pp_ref 字段，统计它被引用的次数。当 pp_ref = 0 时，就说明它可以被释放。通常来说，任意一个物理页p的pp_ref值等于它在所有的页表项中，被位于虚拟地址UTOP之下的虚拟页所映射的次数（UTOP之上的地址范围在启动的时候已经被映射完成了，之后不会被改动）。

当使用 page_alloc() 时需要注意它返回的 struct PageInfo 的 pp_ref 等于 0，因此如果对这个返回的页面做了任何事情，需要立马执行： pp_ref + 1 。

Page Table Management

着手开始编写管理页表的程序：包括插入和删除线性地址到物理地址的映射关系，以及创建页表等操作。

Exercise4:

  1. 在 kern/pmap.c 中，实现如下函数的代码：
    1. pgdir_walk()
    2. boot_map_region()
    3. page_lookup()
    4. page_remove()
    5. page_insert()
  2. 之后 mem_init() 中的 check_page() 会测试这些页表管理程序

参考资料

  1. cnblog-fatsheep9146
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