北大操作系统nachos实习报告——第三部分内存系统实习.docx

操作系统实习三（虚拟内存管理）马亮 1001210767目录内容一：总体概述3内容二：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内容三：遇到的困难以及解决方法13内容四：收获及感想13内容五：对课程的意见和建议13内容六：参考文献14内容一：总体概述通过本次实习，搞清了Nachos中虚拟内存部分的实现原理，通过实现TLB和页表的页面置换算法，修改系统为多线程驻留内存并实现lazy loading，进一步理解了操作系统实现虚拟内存的原理。并且本次实习过程中遇到大量错误，在解决错误的过程中进一步学习巩固了C++。内容二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5Exercise6第一周YYY第二周YYY第三周Y第四周YNN具体Exercise的完成情况第一周Exercise1 源代码阅读machine.h和machine.cc阅读这两个程序实现了执行用户程序的虚拟机，machine.h中将内存页大小定义为和磁盘扇区大小相同的128B，总共有32个页，通过一个char数组来模拟内存，内存总大小为32*128字节，通过一个40个长度的int数组来模拟40个寄存器。声明了TranslationEntry类型的tlb和pageTable作为快表和页表。Machine.cc中在构造函数中对寄存器和内存做了清零，RaiseException用来发出异常，包括系统调用、page fault等异常，调用exception.cc的ExceptionHandler方法来处理，还有一些读写寄存器、打印寄存器状态等方法。translate.h和translate.cc阅读translate.h中定义了快表项和页表项的结构TranslationEntry类translate.cc中ReadMem (int addr, int size, int *value)方法调用translate方法，将用户虚拟地址addr转换为物理地址，读出 size 个字节，存放在 value 所指向的空间中。WriteMem (int addr, int size, int *value) 方法调用translate方法，将用户虚拟地址addr转换为物理地址，然后将 value 表示的数值根据 size 大小转换成相应的机器类型存放在此物理地址中。Translate (int virtAddr, int *physAddr, int size, bool writing) 方法将用户的逻辑地址转换成实际的物理地址，同时需要检查对齐。 首先，判断用户逻辑地址是否对齐，没有对齐则返回 AddressErrorException。接着计算出虚拟地址所在的页号 vpn 及其在页面中的偏移量，根据采用不同的转换方法作不同的处理。如果采用的是线性转换表，当 vpn=pageTableSize 时， 即虚拟页数过大，返回 AddressErrorException。当页表中显示该页为无效时，返回 PageFaultException，一切正常则得到相应的页表表项。如果采用的是 TLB 转换表，查找 TLB 表，如果查找到，得到相应的页表项；如果没有查找到，返回 PageFaultException。如果得到的页表项是只读，设置writing 标志，返回 ReadOnlyException，如果表项中相应的物理地址大于实际的内存物理地址，返回 BusErrorException，都正常则返回NoException。Exercise2 修改exception.cc使得 Nachos 系统可以对 TLB 异常进行处理首先在machine.h中ExceptionType中增加一种异常TlbFaultException：然后在exception.cc中加入这种异常的处理方法：具体的TlbSwap页面置换算法见下一个exercise的说明Exercise3 为TLB机制实现一种合适的页面替换算法基本思想是利用系统中的totalTicks作为时间戳，每次使用到tlb中的一页时更新此页的时间戳为当前的totalTicks，需要淘汰一页的时候选取时间戳最早的那页，即LRU算法。由于nachos中原有的页表实现方法为线性页表，如果define了USE_TLB，则在machine类构造函数中初始化了tlb，故首先启用tlb。在translate.cc的ReadMem和WriteMem方法中，调用了translate方法来将虚拟地址转换为物理地址，而translate方法中如果定义了TLB，则会在TLB中寻找此页，如果找不到则发出PageFaultException异常。首先在TranslationEntr