ucore实验3实验报告.pdf

【ucore实验3】实验报告 实验目标： 本实验旨在让学生深入理解虚拟内存中的Page Fault异常处理机制，以及页替换算法在操作系统中的实际应用。实验内容涵盖了在实验1和实验2的基础上，通过页表机制和中断异常处理，实现Page Fault异常处理和FIFO页替换算法。借助磁盘缓存，实验构建了一个能够模拟更大内存空间的虚拟内存系统。尽管实验简化了实际操作系统中的复杂交互，但仍然需要理解前两次实验的实现细节。 实验内容： 在实验中，首先要完成练习0，将实验1和2的代码填入到实验3的相关位置。接着是练习1，需要在do_pgfault函数中处理未映射的地址，为其分配物理页并设置适当的访问权限。正确完成后，执行makeqemu并通过check_pgfault函数的测试，将会显示"check_pgfault() succeeded!"。 问题解析： 1. 页目录项（Page Directory Entry, PDE）和页表（Page Table Entry, PTE）在ucore中对于实现页替换算法的重要作用在于它们记录了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。PDE是页目录的入口，它包含指向页表的指针，而PTE则是页表中的条目，直接对应物理页。在页替换算法中，PDE用于确定哪些页可以作为候选替换页，因为页目录记录了内存的全局布局。PTE则用于存储新分配页的信息，确保新页能够正确地映射到虚拟地址。 2. 当ucore的缺页服务例程在执行过程中触发页访问异常时，硬件将执行以下操作： - CPU会将导致异常的虚拟地址存入CR2寄存器。 - 错误代码（errorCode）会被记录，指示异常类型，如权限不足或页不存在。 - 控制权转交给中断处理程序，该程序会调用do_pgfault函数来处理异常。 - do_pgfault函数会检查CR2寄存器中的地址，根据页表信息判断是否需要分配新的物理页，或者是否违反了访问权限。 思考题解答： 1. 页目录项PDE和页表项PTE在ucore的页替换算法中起到关键作用。PDE作为页目录的一部分，它是一个页表的索引，可以指示哪些页可以作为换出的候选。页表项PTE则记录了页的物理地址和状态信息，当需要换入新的页时，PTE会更新以反映新页的映射。 2. 在ucore中，如果页服务例程在执行期间发生页访问异常，硬件会： - 设置标志位，表明发生了异常，并将异常的虚拟地址存入CR2寄存器。 - 保存当前的程序状态，包括CPU寄存器和程序计数器。 - 根据异常类型，将错误代码存储在特定寄存器（如TF结构的tf_err字段）中。 - 转向页错误处理程序do_pgfault，该程序会根据异常原因（如页不存在或权限不足）决定如何响应，可能涉及分配新的物理页或处理访问错误。 在练习2中，学生需要进一步实现其他页替换算法，如extended clock页替换算法，以增加系统的灵活性和性能。通过这样的实践，学生能够更好地理解和掌握虚拟内存管理的核心概念和实际操作。