OS-lab2

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启动之后，我们的操作系统要能运行，需要一个载体，就是内存。内存的访问不是直接的，而是通过MMU完成。在完成MMU之前，我们先看看一些需要用到的宏定义和函数。

include

• pmap.h

  定义了内存控制块Page结构体，用于记录页面的分配和使用情况。其中pp_link有两个成员，*le_next用于指向下一个元素，le_prev用于指向前一个元素的**le_next的地址。pp_ref用于记录页面被引用的次数。
  
  page2pa函数通过给定的Page控制块计算对应的页面的物理地址。
  
  page2ppn函数通过给定的Page控制块计算这个页面控制块在整个页面控制块数组中的下标。
  
  pa2page函数通过给定的物理地址计算对应的页面控制块。
  
  page2kva函数通过给定的Page控制块计算计算这个页面对应的内核虚地址。
  
  va2pa函数通过给定的页目录和虚拟地址计算对应的物理地址。

  此外还声明了pmap.c中的一些函数。

• queue.h

  通过宏定义定义了关于链表的一些操作，如初始化、插入删除等。

• mmu.h

  定义了一系列变量如页面大小BY2PG、标志位PTE_V等。PDX(va)用于获得虚拟地址的高10位，PTX(va)类似。PADDR(kva)用于将内核虚拟地址转化为物理地址，KADDR正好相反。PTE_ADDR用于获得页表项存储的物理地址。

现在，我们一步一步实现MMU。

mm

• pmap.c

  这个文件集合了管理内存的大部分函数。其中*pages是页面控制块数组，freemem是空闲内存的地址。

  mips_detect_memory函数手动给basemem、maxpa、npage等全局变量进行了赋值。
  
  *alloc函数手动分配n字节的空闲内存。具体思路即修改freemem的值，然后将alooced_mem清零后返回这个地址。
  
  *boot_pgdir_walk函数用于获取对应虚拟地址对应的二级页表项。具体流程是通过页目录找到页目录项地址；将页目录项的值转为虚拟地址；检查是否存在，若不存在且create为1，就分配一页，并给对应的页表项赋上标志位；然后再求得对应二级页表项的虚拟地址并返回。
  
  boot_map_segment函数用于将size大小的虚拟地址区间映射到size大小的物理地址区间。首先将size按BY2PG取整；然后以页为单位，利用*boot_pgdir_walk获得每一页的页表项，再将物理地址和对应的标志位赋给对应的页表项，完成映射。
  
  mips_vm_init函数完成初始的建立两级页表的任务。首先是用alloc函数分配一页给页目录；然后分配npage个Page给pages数组，用于管理页面；再将pages数组这片区域映射到物理内存；类似的，分配空间给envs进程控制块数组，并映射到对应的物理内存区域。

  以上都是在启动过程中完成的操作。核心是mips_vm_init函数。

  page_init函数用于初始化pages数组并设置page_free_list数组。首先用LIST_INIT函数初始化page_free_list；然后通过freemem和end求得已经分配了多少空闲内存；将已分配的内存即freemem以下的内存以页为单位，通过修改pp_ref为1的方式记录下来；剩下的内存即freemem以上的内存则将pp_ref记为0，并利用LIST_INSERT_HEAD加入到page_free_list中。
  
  page_alloc函数用于分配一页物理内存。首先需要检查是否存在空闲内存，即利用LIST_EMPTY检查page_free_list是否为空；然后取出第一项并在链表中删掉这一项；最后将这一项对应的内存清零后返回这一页面控制块。
  
  page_free函数用来释放一页内存。当pp_ref为0时将这一页利用LIST_INSERT_HEAD加入到page_free_list中。
  
  pgdir_walk函数类似boot_pgdir_walk函数，基本思路一样。区别在于，pgdir_walk函数是在启动之后，所以在需要创建新页表的时候可以使用page_alloc函数，并且分配后将对应的pp_ref增加。boot_pgdir_walk函数由于没有建立页表映射机制，对于pp_ref是无法操作的。
  
  page_insert函数用于将物理页映射到特定虚拟地址。首先利用pgdir_walk函数取得虚拟地址va的页表项；检查这一页表项是否已经对应到了指定页面上，若页表项不为空且已经映射到了指定页面，则利用tlb_invalidate更新tlb，然后给对应的页表项赋值并返回；若这一页表项不为空且映射的页面不是指定页面，则需要用page_remove将这一虚拟地址对应的页面移除；然后利用tlb_invalidate更新tlb；再一次利用pgdir_walk函数取得页表项，对这一页表项赋值并增加pp_ref。
  
  page_lookup函数用于获得虚拟地址对应的Page和页表项。首先通过pgdir_walk得到虚拟地址对应的页表项；如果页表项为空或页表项有效位为0则返回；然后通过pa2page得到Page。
  
  page_decref函数用于减少pp_ref。
  
  page_remove函数用于移除物理页面到虚拟地址的映射。首先利用page_lookup获得Page和对应的页表项；减少pp_ref，若pp_ref为0则需要用page_free释放掉这一物理页；将页表项清零，并用tlb_invalidate更新tlb。
  
  tlb_invalidate函数用于使虚拟地址对应的tlb表项失效，而下次访问这个地址就会触发tlb充填，完成对tlb的更新。核心是调用tlb_out函数。

  剩下的三个函数physical_memory_manage_check、page_check、pageout用于检查以上的内存管理函数功能是否正确。

• tlb_asm.S

  这个文件用于处理tlb更新，即tlb_out函数。首先将CP0_ENTRYHI寄存器的值取出来，将虚拟地址写入；通过tlbp查找与CP0_ENTRYHI内容匹配的页表项并写入CP0_INDEX，由于tlb内部采用流水线设计，因此这条指令后需要执行nop；若找到则将CP0_ENTRYHI和CP0_ENTRYLO0清零，这样在未来对这一虚拟地址进行访问就会诱发tlb充填；利用tlbwi根据CP0_INDEX写tlb，然后恢复CP0_ENTRYHI；若没找到则将CP0_ENTRYHI恢复为原来的值并返回。