OS Lab2 Report

OS Lab2 实验报告

实现功能

首先重新实现 sys_gettimeofday 和 sys_task_info，用户传的指针是用户页表中的虚拟地址，内核使用 copyout 接口向用户给定虚拟地址写入数据。

然后在 syscall.c 中增加了 sys_mmap 和 sys_munmap 两个系统调用，sys_mmap 的核心是调用 kalloc 申请匿名物理内存并使用 mappages 映射到由 start 开始的某一段虚存，sys_munmap 中核心则是调用 uvmunmap 取消虚存映射。

问答题

第 1 题：SV39 页表项

SV39 页表项组成如下所示：

1
2
3
4
5
 63      54 53                             10 9   8 7 6 5 4 3 2 1 0
+----------+--------------------------------+-----+-+-+-+-+-+-+-+-+
| reserved |              PPN               | RSW |D|A|G|U|X|W|R|V|
+----------+--------------------------------+-----+-+-+-+-+-+-+-+-+
     10                    44                  2   1 1 1 1 1 1 1 1

最高 10 位为保留位，中间 44 位为物理页号 PPN（非叶子节点即指向下一级页表起始位置的物理页号），最低 10 位为标志位。标志位有以下作用：

  • V：有效位，表示页表项是否有效。
  • R, W, X：对叶节点页表项，这些位分别表示页面是否可读、可写和可执行；对非叶节点页表项，三个位均为 0（且 V 位为 1）表示是合法页目录表项，指向页面表的下一级。
  • U：用户位，表示对应虚拟页面是否可在用户态下访问。
  • G：全局位，表示对应的页面是否是全局的，若是全局的在进程切换时不必刷新该页的 TLB 缓存。对于非叶结点页表项，全局设置意味着页表后续级别中的所有映射都是全局的。
  • A：访问位，表示对应的页面是否被访问过，为页面置换算法提供信息。
  • D：脏位，表示对应的页面是否被修改过，若修改过换出内存页时需要写回磁盘。
  • RSW：为内核程序预留，硬件不会对此做任何其他操作。

第 2 题：缺页

  1. 请问哪些异常可能是缺页导致的？
    常见因缺页引起异常的场景包括：
    • 地址空间映射关系未建立：用户进程访问未经物理内存映射（未向操作系统申请）的虚拟地址；或申请的虚拟地址尚未分配实际的物理页面（lazy策略），在首次访问时会触发缺页异常；
    • 地址空间映射关系已建立，但访问的页面被交换（swap）到磁盘，不在内存中；
    • 访问的地址空间不合法（如用户态访问内核地址空间），或访问页面的执行权限不够（如修改只读页面）。
  2. 发生缺页时，描述相关的重要寄存器的值。
    sscratch 中是发生缺页进程的 trapframe 地址，satp 中是发生缺页进程的页表根地址，sepc 中是发生缺页异常的指令地址，mcause 中 Interrupt 位是 0（表示异常），Exception Code 是 12、13 或 15。
  3. Lazy 策略有哪些好处？
    有助于节省物理空间，减少不必要的页表操作。
  4. 请问处理 10G 连续的内存页面，需要操作的页表实际大致占用多少内存(给出数量级即可)？
    一个叶子节点页表项可映射 4KB 物理内存，一个物理页面包含 512 个页表项，可映射 2MB 内存，则处理 10G 连续页面需要三级页表 10G / 2M = 5K 个；这 5K 个连续三级页表对应二级页表个数大约为 5K / 512 = 10 << 5K，故在数量级上可忽略一级二级页表占用的内存。由此估计，所需的页表大致内存为 5K * 4KB = 20MB。
  5. 请简单思考如何才能在现有框架基础上实现 Lazy 策略，缺页时又如何处理？描述合理即可，不需要考虑实现。
    为每个用户进程分配一张表，记录其申请的虚拟内存地址，在申请时仅在表上记录，暂时不映射到真实物理内存；当发生缺页时，首先查找该表判断是否访问的地址是否已经申请过，若已经申请过则将该地址从表上移出，并分配一段与访问空间大小相应的物理内存，修改页表建立映射，然后返回缺页异常的指令继续执行。
  6. 内存页面可能被换到磁盘上了，导致对应页面失效。此时页面失效如何表现在页表项(PTE)上？
    对应叶子节点 PTE 的 V 位（有效位）为 0，但 R/W/X 位不全为 0。

第 3 题：单页表和双页表

  1. 单页表情况下，如何更换页表？
    同样通过 csrw 修改 satp 寄存器，并使用 sfence.vma zero, zero 刷新 TLB 实现更换。
  2. 单页表情况下，如何控制用户态无法访问内核页面？
    将内核页面对应的页表项 U 位置 0。
  3. 单页表有何优势？
    只需在进程切换时更换页表、刷新 TLB，在同一进程的用户态和内核态之间切换时（如异常处理、系统调用）不用更换页表和刷新 TLB，减少时间开销，提升程序效率。
  4. 双页表实现下，何时需要更换页表？假设你写一个单页表操作系统，你会选择何时更换页表？
    进程切换和用户态、内核态之间的切换都要更换页表。可以选择在进程调度时更换页表。