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1、虚拟内存机制实习报告善良的大姐姐2015.4.18目录一：总体概述3二：任务完成情况3任务完成列表（Y/N）3具体Exercise的完成情况3三：遇到的困难以及解决方法15四：收获及感想15五：对课程的意见和建议15六：参考文献15一：总体概述通过认真仔细阅读Nachos系统虚拟内存部分的源代码，理解虚拟内存的管理和应用机制，用户程序的运行逻辑，并修改源代码，达到“实现虚拟存储系统”的目标。二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5Exercise6Exercise7Challengeyesyesyesyes
2、yesyesyesyes具体Exercise的完成情况Exercise 1: 源代码阅读Part1: 阅读code/userprog/progtest.cc，着重理解nachos执行用户程序的过程，以及该过程中与内存管理相关的要点。阅读情况： 用户程序执行过程：步骤相关解释在main函数中，如果检测到传入的参数和“执行用户程序”相关，那么执行StartProcess函数（progtest.cc）在StartProcess函数中装载并运行一个用户程序StartProcess函数中：1. 用OpenFile类打开文件OpenFile类在文件系统中定义，包括各种对文件的基本操作，如read,writ
3、e。实质上是包装了操作系统的底层函数。2. 用AddrSpace类创建一个用户空间，并将打开的文件装载进去创建用户空间包括：1. 获取文件头，并将大小端做适宜转换；2. 通过文件头计算出文件所需空间，包括代码段，初始化数据段，未初始化数据段，栈空间4个部分3. 通过文件所需空间计算出文件所需的虚拟页数量4. 创建用户空间的pagetable，指示了第i个虚拟页（将）对应第i个物理页5. 由于目前是最基本的【直接映射+单用户程序无切换】模式，因此此时要将所有的虚拟页中的内容写到物理页（主存）当中。3. （AddrSpace:InitRegisters()）初始化用户空间中的各种寄存器，包括PC设
4、为0，栈指针移到空间底部为执行用户程序做准备！4. （AddrSpace:RestoreState()）将用户的部分状态（如pagetable）装载到machine类中，准备执行事实上，仅仅是将用户空间的Pagetable（在第二步创建的）装载到machine的指针中，相当于是用户程序在machine上运行时，是通过machine的pagetable映射找到对应内容运行的5. 调用machine-Run，运行用户程序Machine-run是在mipssim.cc中定义的。其工作原理为：1. 通过OneInstruction(instr)模拟mips，将一条指令进行分割，并软件模拟执行。其中，在
5、OneInstruction函数中，通过machine-ReadMem，读取主存中当前PC值指向的地址里的指令。在ReadMem函数中，通过Translate函数对传入的虚地址做转换。在Translate函数中，如果虚地址没有找到对应的实地址转换，就会抛出异常（返回异常值）。返回的异常值在ReadMem中判断，并传入RaiseException函数中RaiseException函数会调用ExceptionHandler函数对不同的异常做相应的处理。（以上是异常处理机制。在这里就顺便说了。）2. 调用onetick让时间前进3. 重复1,2Part2: 阅读code/machine目录下的mac
6、hine.h(cc)，translate.h(cc)文件和code/userprog目录下的exception.h(cc)，理解当前Nachos系统所采用的TLB机制和地址转换机制。 TLB机制和地址转换机制：相关内容简单解释TranslationEntry类（translate.h），包括：virtualPage, physicalPage,以及一些标志位：valid,readonly等。标识了用户空间的第i个虚拟页应该映射到主存的第j个物理页，并且这个物理页目前所处的状态。（valid? readOnly?等）TLB初始化（machine.cc 构造函数）：生成指定数量的Translati
7、onEntry构成的数组，并且设置均为Invalid.TLB本身就类似于Pagetable的子集，有若干的的映射对。TLB的使用（translate.cc translate函数）：1. 遍历TLB数组，查找是否有对应映射2. 如果有，TLB命中，直接进行物理地址转换；否则，TLB MISS，进入Exception处理。（目前还没有对应的处理函数）无地址转换机制：在translate.cc translate函数中进行。1. 通过virtualaddr，计算出vpn和offset；2. 通过TLB或是直接通过Pagetable，获得vpn对应的ppn；（否则抛出异常，在异常处理函数中做处理，但
8、目前这部分没有实现）3. 通过ppn和offset得到物理地址，将物理地址返回。无TLB miss或是pagefault处理（exception.cc）：在上一个表格中已经对异常处理是如何进入的做了介绍。但这里要补充一点：在处理完TLB miss或是Pagefault之后，不需要将PC+4，因为异常处理函数结束后，返回的最终位置会是OneInstruction函数的取指阶段。取指失败后，OneInstruction函数会退出，然后再用同样的PC取一次指令。而这次就能够TLB hit或者pagetable hit了。无Exercise 2: TLB MISS 异常处理任务：修改code/user
9、prog目录下exception.cc中的ExceptionHandler函数，使得Nachos系统可以对TLB异常进行处理（TLB异常时，Nachos系统会抛出PageFaultException，详见code/machine/machine.cc）。完成情况： 关于异常处理的机理已经在Exercise1 中说明了。因此能够对TLB异常进行处理，我们只要在判断传入的参数为TLBMISS的异常，并对其进行处理即可。 事实上，我在实际操作的时候，TLB MISS和PAGEFAULT，抛出的异常都是PageFaultException，此后再判断machine-tlb是否为空。如果为空，则执行Pa
10、gefaultFunc；否则，执行TLBmissFunc。 TLBmissFunc:步骤简单解释1. 从machine的BadVAddrReg寄存器中取出发生异常的虚拟地址，并算出vpn；在RaiseException函数中，将发生异常的虚拟地址放入该寄存器的。2. 扫描pagetable，寻找该vpn对应的项。目前情况，是一定可以找到的。由于目前用户程序运行的机理是：将所有segment全部写入主存中，并且全部做好了虚实映射，放在自己的PageTable中。当mechine需要加载这个用户程序时，会获得这个pagetable。于是相当于是，mechine通过这个pagetable，可以得到用
11、户空间所有虚地址对应的实地址。因此当TLB MISS时，查找pagetable，是一定不会Miss的。3. 接下来是寻找放入TLB的位置：1） 先考虑TLB中invalid的项，如果存在，写入该项；2） 如果不存在invalid项，那么就涉及TLB置换算法，这在Exercise3 中介绍。总之最后一定可以找到一个放置新的entry项的位置。无Exercise 3: 置换算法任务：为TLB机制实现至少两种置换算法，通过比较不同算法的置换次数可比较算法的优劣。完成情况：FIFO替换算法LRU替换算法1. 如果替换的是Invalid项，那么不涉及算法。2. 否则，将数组第一个项丢弃，其他项向前移动一
12、位。新添加的项放在数组最后3. 为每个entry设立一个lru数值。当TLB HIT时，HIT项的lru左移加一，其余项的lru左移；当TLB MISS时，进入异常处理函数4. 异常处理函数中，如果替换的是Invalid项，则将所有valid项（包括当前替换项）的lru值清零5. 否则，扫描TLB数组，找到Lru值最小的一项进行替换，并将所有项的lru值清零测试的用户程序将数组大小改成5的矩阵相乘：matmult。将会分配18个物理页，TLB访问次数为15000左右。（visit time不同，是因为每次miss异常处理之后，还会再次访问该地址，因此Miss次数不同，造成visit time次
13、数也会不同。）测试结果FIFO：LRU：结论：LRU算法略优于FIFO。Exercise 4: 内存全局管理数据结构任务：设计并实现一个全局性的数据结构（如空闲链表、位图等）来进行内存的分配和回收，并记录当前内存的使用状态。完成情况：增改情况简单解释创建Machine类中，新增一个bitmap的数据结构memoryMNG，大小设置为物理页大小memoryMNG的每一个bit对应一个物理页的分配状况内存分配Addrspace.cc构造函数中，在构建用户空间的pagetable时，通过bitmap的成员函数find返回第一个为0的位，将其作为空闲物理页分配。Find函数返回第一个为0的位，并将该位
14、置1。这非常符合我们的要求。如果不存在为0的位，返回-1。因此我会用Assert来保证能够正确分配物理页。内存回收Exception.cc handler函数中，对于exit系统调用的处理函数中，通过bitmap的成员函数clear，将pagetable中的所有物理页释放，并设置该项为invalid关于在哪回收内存，这是个比较麻烦的问题。因为用户程序运行完毕之后，是不会离开machine-run的for循环的，并且在调用machine-run之后的语句也不会被执行。因此，只能在exit系统调用中回收比较可行。补充：关于exit系统调用的异常处理函数其实有点麻烦，因为用户程序可以显式调用Exit
15、，而用户程序结束之后，也会自动执行一个exit。所以，有可能会有2个exit被执行。考虑到这个情况，需要做如下处理：1）如果bitmap已经被回收过了，就break出来。2）exit处理函数之后，PC要+4。测试结果截图：释放页用户程序结束开始执行用户程序分配页Exercise 5: 多线程支持任务：目前Nachos系统的内存中同时只能存在一个线程，我们希望打破这种限制，使得Nachos系统支持多个线程同时存在于内存中。完成情况：考虑：目前用户程序对mainMemory的操作是：在初始化用户空间的时候，会将mainMemory清零，并写入自己的内容。因此，每次运行用户程序，只能有一个在主存中。（主存里仅容许一个用户程序存放）如下截图：此外，目前mainMe
