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实验概述

温（守）馨（住）提（红）示（线）

本课程实验已引入代码自动查重系统，请同学们保持学术诚信！

课程复习和预习要求

本节实验与理论课的 “虚拟内存” 和 “内存管理” 这两章课程内容相关，请同学们复习这两章课程内容。

在做实验之前，请同学们阅读xv6手册的以下章节及相关源代码：

  • [1] xv6 book, Chapter 3 Page tables (页表)
  • [2] kernel/memlayout.h （定义内存的布局）
  • [3] kernel/vm.c （虚拟内存代码）
  • [4] kernel/kalloc.c （分配和释放物理内存代码）

此外，特别推荐同学们观看由我校OS课题组、各级学长助教们合力为大家录制的XV6讲解视频，希望能够让大家对整个XV6系统有一个更为直观的认识，推荐大家按需观看：

  1. 【HITSZ操作系统课程组讲解XV6（二）进程管理】

  2. 【HITSZ操作系统课程组讲解XV6（三）内存管理】

提示

本节实验将探索内核的内存管理模块，并且需要修改相应的部分。建议阅读完所有部分，再开始代码的编写。

0. 实验分数

  本实验有三个任务，作为最后一个MIT xv6实验，任务二和任务三的难度相比之前来说有 明显提高 ，但是我们希望大家能够尽量完成，如果实在无法完成，也可以给出你的思路，以尽可能拿到分数，即使任务二和任务三的分数占比不高。

1. 实验报告

  • 回答实验中的问题 40%；
  • 给出实验设计思路 60%：任务一：30%、任务二：20%、任务三：10%

  若对应任务未给出实验设计，那么对应任务代码分记0分。

2. 实验代码

  • 任务一：50%
  • 任务二：30%
  • 任务三：20%

  若对应任务代码无法通过测试，那么实验报告中对应任务的设计分最高只能得到满分的50%。 因此，即使没有实现，你也应该尽可能地给出你的思路。

1. 实验目的

  1. 了解页表的实现原理。
  2. 修改页表，使内核更方便的进行用户虚拟地址翻译。

2. 实验学时

  本实验为4学时。

3. 实验内容及要求

请先同步上游远程仓库，并注意切换到pgtbl分支进行试验

本次实验基于 pgtbl 分支，请同学们注意切换。

Step 1. 首先，保存实验三的代码，请参考实验实用工具的3.3.1 使用命令行完成操作或者3.3.2 使用VSCode内建的图形化界面完成操作这两小节，完成commit操作。

Step 2. 然后，参考“Lab2：进程与系统调用”的3.1 切换分支进行切换。

同时，本次实验的 输出格式不同于MIT原版实验，请严格按照指导书要求！

3.1 任务一：打印页表

  本任务中，你需要加入页表打印功能，来帮助你在之后的实验中进行debug。

  首先，我们需要了解页表的数据结构。然后，按层次每页打印即可，可以采用 递归 的算法。

3.1.1 打印函数定义

  void vmprint(pagetable_t pgtbl)

  该函数将获取一个 根页表指针 作为参数，然后打印对应的页表数据。

  函数的使用位置 ：注意！该函数一定要插入在exec()逻辑结束的末尾，来打印第一个进程或刚载入程序的页表数据。在开发过程中，你可以插入到其他的地方，但是最后一定只保留这一个地方的函数使用。

  • 在exec.c中的返回argc之前插入vmprint()函数，以输出第一个进程或刚载入程序的页表。其中，vmprint()函数的入参可以根据你自己的设计来填入。

3.1.2 结果示例

  当xv6启动的时候，它自身会调用 exec() 启动第一个进程 init ，这个时候我们的函数会得到以下的输出：

xv6 kernel is booting

hart 1 starting
hart 2 starting
page table 0x0000000087f25000
||idx: 0: pa: 0x0000000087f21000, flags: ----
||   ||idx: 0: pa: 0x0000000087f20000, flags: ----
||   ||   ||idx: 0: va: 0x0000000000000000 -> pa: 0x0000000087f22000, flags: rwxu
||   ||   ||idx: 1: va: 0x0000000000001000 -> pa: 0x0000000087f1f000, flags: rwx-
||   ||   ||idx: 2: va: 0x0000000000002000 -> pa: 0x0000000087f1e000, flags: rwxu
||idx: 255: pa: 0x0000000087f24000, flags: ----
||   ||idx: 511: pa: 0x0000000087f23000, flags: ----
||   ||   ||idx: 510: va: 0x0000003fffffe000 -> pa: 0x0000000087f76000, flags: rw--
||   ||   ||idx: 511: va: 0x0000003ffffff000 -> pa: 0x0000000080007000, flags: r-x-
init: starting sh
$

  我们先不着急动手，先看看结果长什么样（不清楚页表的含义先不急，实验原理会告诉你）。

一些注意事项

由于xv6不支持%c, 因此打印字符的时候请通过将字符转化为字符串的方式，使用%s格式化字符串 。

  • 第一行打印的是 vmprint 的参数，即获得的页表参数具体的值。
  • 在之后打印的则是页表项。RISC-V的页表被设计成了三层（具体见实验原理），每一个”||“都代表一层。
  • 打印的格式为：（注意 冒号后面都接一个空格 ）
    • 如果是非叶节点，则为：idx: [索引编号]: pa: [物理地址], flags: [四个权限位(r/w/x/u)]
    • 如果是叶子节点，则为：idx: [索引编号]: va: [虚拟地址] -> pa: [物理地址], flags: [四个权限位(r/w/x/u)]
  • 上述的详细含义为：
    • 索引编号: 指示了该页表项在当前等级页表内的序号（取值范围：0-511）；
    • 物理地址：指示了这个页表项对应的十六进制物理地址；
    • flags的四个权限位：指示了这个页表项的flags，包括读（R）、写（W）、执行（X）、用户态（U）
  • 只打印有效的pte。

  在上面的示例中，根页表项只有第0项和第255项的映射是有效的，其中第0项的次页表只映射了索引0，该索引0映射了叶子页表的0、1和2。

  你的代码输出的物理地址与上述示例可能不相同，但显示项数和虚拟地址应相同。

3.1.3 测试

  运行make grade ，其中的pte printout测试就是该任务的测试（可参考测评 3.4）。

3.2 任务二：独立内核页表（中等）

  目前，xv6的每个进程都有自己独立的 用户页表 （只包含该进程用户内存的映射，从虚拟地址0开始），但是每个进程进入内核的时候，会使用唯一的一个 全局共享内核页表 。我们需要 将全局共享内核页表改成独立内核页表 ，使得每个进程拥有自己独立的内核页表，也就是全局共享内核页表的副本。

  这部分有一定的难度，因此指导书会尽可能给出多的描述，大家应反复阅读，并试图将知识点串联起来。

3.2.1 独立页表的背景

  共享内核页表中，所有物理地址都和与之完全相等的虚拟地址建立映射，也就是直接映射。这是让内核能够直接以物理地址访问内存的数据，不需要使用任何的虚拟地址。

  但是 ，由于用户地址的映射并未存储于内核页表，如果我们需要处理用户程序传来的虚拟地址（比如系统调用传入的指针），我们需要先找到用户页表，逐个页表项地找到能够翻译对应虚拟地址的页表项后，才可以获取实际的物理地址并进行访问，这叫做软件模拟翻译。软件模拟翻译的实现很复杂，同时，因为需要复杂的查找，还降低了性能。

  所以我们将 用户页表中的内存映射 和 原来共享内核页表中的内存映射 进行合并，这样内核也能够直接对用户的虚拟地址进行访问，而不需要软件模拟翻译。需要注意的是，这是 任务三和任务二一同 需要实现的结果，任务二分离出独立页表，任务三利用独立页表去除软件模拟翻译。

3.2.2 独立页表的要求

  共享内核页表的映射：虚实地址相同，也就是直接映射。

  独立内核页表的映射：虚实地址相同的映射应该要保留， 先不需要 加上用户页表的内容，在 任务三 中再加上加上用户页表的内容。

  同时还需要修改有关的操作。

3.2.3 测试

  首先，在xv6运行 kvmtest，如果你确实使用了独立内核页表，会看到以下结果：

  然后，请在xv6运行 usertests，确保所有测试通过（显示"ALL TESTS PASSED"）。

3.3 任务三：简化软件模拟地址翻译（难）

  xv6目前使用kernel/vm.c中的copyin()/copyinstr()将用户地址空间的数据拷贝至内核地址空间，它们通过软件模拟翻译的方式获取用户空间地址对应的物理地址，然后进行复制（详情见代码注释）。

  任务目标：你需要 在独立内核页表加上用户地址空间的映射，同时将函数 copyin()/copyinstr() 中的软件模拟地址翻译改成直接访问 ，使得内核能够不必花费大量时间，用软件模拟的方法一步一步遍历页表，而是直接利用硬件。

3.3.1 任务要求

  1. 要求提供了新的函数 copyin_new()/copyinstr_new() （在 kernel/vmcopyin.c中定义）。你需要找到调用 copyin()（在 kernel/vm.c 中定义）的地方，用copyin_new()替换之 。同样地，用copyinstr_new()代替 copyinstr()。
  2. 在独立内核页表加上用户页表的映射，以保证刚刚替换地新函数能够使用。但是要注意地址重合问题，见“实验原理 3.5”.

3.3.2 结果示例

  首先，在xv6运行 stats stats，如果你正确使用了copyin_new和copyinstr_new，会看到输出的数值不为零：

  然后，请在xv6运行 usertests，确保所有测试通过（显示"ALL TESTS PASSED"）。

3.4 测评

  当完成上述的三个实验后，在命令行输入 make grade 进行测试。如果通过测试，会显示如下内容：