mit6.828 - lab2笔记

lab2的实验手册带着我们学习操作系统是如何处理内存管理的。lab2将内存管理划分为 物理内存管理、页表管理、内核地址空间划分三个部分。

lab2的学习目标：重点学习内存管理的相关知识，包括内存布局、页表结构、页映射
lab2的学习任务：完成内存管理的相关代码

在lab2中，完全可以跟着实验手册的节奏走，逐步完善内存管理的代码。不过在根据注释补充各个函数的时候，大概率是懵逼的，需要自己多看几遍，总结

环境准备：

实验 2 包含以下新的源文件：

• inc/memlayout.h
• kern/pmap.c
• kern/pmap.h
• kern/kclock.h
• kern/kclock.c

memlayout.h 和 pmap.h 定义了 PageInfo 结构，用于跟踪哪些物理内存页是空闲的。
kclock.c 和 kclock.h 操作 PC 的电池时钟和 CMOS RAM 硬件，其中 BIOS 记录了 PC 所含的物理内存量等信息。
pmap.c 中的代码需要读取这些设备硬件，以计算出物理内存的容量，但这部分代码已经为你完成：你不需要了解 CMOS 硬件工作的细节。
请特别注意 memlayout.h 和 pmap.h，因为本实验要求您使用并理解其中包含的许多定义。您可能还需要查看 inc/mmu.h，因为其中包含的许多定义对本实验也很有用。

Part1：物理内存管理（练习1）

操作系统必须跟踪物理内存中哪些是空闲内存，哪些是当前正在使用的内存。JOS 以页面粒度管理 PC 的物理内存，这样它就可以使用 MMU 来映射和保护每一块已分配的内存。

现在你将编写物理页面分配器来实现物理内存管理。它通过 struct PageInfo 对象的链表来跟踪哪些页面是空闲的，每个对象对应一个物理页面。我们要做的就是通过 PageInfo链表，实现对物理内存的申请、释放。

练习 1. 在 kern/pmap.c 文件中，您必须实现以下函数的代码（可能按照给出的顺序）。
boot_alloc()
mem_init()（只调用到 check_page_free_list(1)）。
page_init()
page_alloc()
page_free()
check_page_free_list() 和 check_page_alloc() 对物理页面分配器进行测试。你应该启动 JOS 并查看 check_page_alloc() 是否报告成功。修改代码，使其通过测试。你可能会发现添加自己的 assert()s 来验证你的假设是否正确很有帮助。

为了逐步理解物理页面分配器的工作原理，我们就按照练习1的要求，逐个实现代码就好了，不过在那之前，我们来看一下lab1 最后的物理内存的情况和虚拟地址空间的映射情况：

boot_alloc

只在初始化时使用，用来确定申请n子节内存后后，空闲内存的首地址（虚拟内存空间）是多少。
为了让JOS能够追踪空闲内存的首地址究竟是多少，这里使用一个全局变量 nextfree 来记录.

static void *
boot_alloc(uint32_t n)
{
	static char *nextfree;	// virtual address of next byte of free memory
	char *result;

	// nextfree 一开始的值应该是多少？当然是kernel.ld中的标号end所指的位置，即内核加载进内存后的尾部
	if (!nextfree) {
		extern char end[]; 
		nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);
	}

	// 分配一块足够放下n个字节的地址块，然后将这个地址块的地址返回。
	// 注意地址块必须按照 PGSIZE 对齐
	result = nextfree;
	// 更新nextfree
	nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);

	return result;
}

完事了之后，按照 练习1 的指引，我们看一眼 mem_init

mem_init

mem_init 是用来初始化内存管理的函数。物存管理的部分在前面被处理，大致工作流程为：

1. 获取硬件信息，内存有多大，i386_detect_memory();
2. 初始化页目录 kern_pgdir
3. 初始化pages数组

// Set up a two-level page table:
//    kern_pgdir is its linear (virtual) address of the root
//
// This function only sets up the kernel part of the address space
// (ie. addresses >= UTOP).  The user part of the address space
// will be set up later.
//
// From UTOP to ULIM, the user is allowed to read but not write.
// Above ULIM the user cannot read or write.
void
mem_init(void)
{
	uint32_t cr0;
	size_t n;

	// Find out how much memory the machine has (npages & npages_basemem).
	i386_detect_memory();

	// Remove this line when you're ready to test this function.
	// panic("mem_init: This function is not finished\n");

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// create initial page directory.
	kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);
	memset(kern_pgdir, 0, PGSIZE);

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Recursively insert PD in itself as a page table, to form
	// a virtual page table at virtual address UVPT.
	// (For now, you don't have understand the greater purpose of the
	// following line.)

	// Permissions: kernel R, user R
	kern_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(kern_pgdir) | PTE_U | PTE_P;

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Allocate an array of npages 'struct PageInfo's and store it in 'pages'.
	// The kernel uses this array to keep track of physical pages: for
	// each physical page, there is a corresponding struct PageInfo in this
	// array.  'npages' is the number of physical pages in memory.  Use memset
	// to initialize all fields of each struct PageInfo to 0.
	// Your code goes here:
	pages =(struct PageInfo *) boot_alloc(sizeof(struct PageInfo)*npages);
	memset(pages, 0, sizeof(struct PageInfo) * npages);

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Now that we've allocated the initial kernel data structures, we set
	// up the list of free physical pages. Once we've done so, all further
	// memory management will go through the page_* functions. In
	// particular, we can now map memory using boot_map_region
	// or page_insert
	page_init();

	check_page_free_list(1);
	check_page_alloc();
	check_page();
	//....
}

在完成了 mem_init刀 page_init 之前的代码后，整理一下目前的物理内存和 虚拟地址空间的映射情况：

struct PageInfo

先来看看 PageInfo 这个结构体，这个注释真棒。

/*
 * 页面描述符结构，映射到 UPAGES。
 * 内核可读写，用户程序只读。
 *
 * 每个结构 PageInfo 保存一个物理页面的元数据。
 *  它不是物理页面本身，但物理页面和结构 PageInfo 之间有一一对应的关系。
 * 您可以使用 kern/pmap.h 中的 page2pa() 将结构 PageInfo * 映射到相应的物理地址。
 */
struct PageInfo {
	//空闲列表中的下一页。
	struct PageInfo *pp_link;

	// pp_ref 是指向此页的指针（通常是页表条目）的计数。
	// 对于使用 page_alloc 分配的页面，pp_ref 是指向该页面的指针计数（通常在页表项中）。
	// 在启动时使用 pmap.c 的boot_alloc 分配的页面没有有效的引用计数字段。

	uint16_t pp_ref;
}

如注释所述， PageInfo 和物理内存是一一对应的，一个PageInfo 对应一页物理内存（4KB)，可以从 page2pa 这个映射函数中看出来

对于一个物理地址 pa ，将其右移 12 位，然后就可以作为 pages 数组的下标了。
也就是说 :
pages[0] 对应 pa 0x0000_0000 到 0x0000_1000
pages[1] 对应 pa 0x0000_1000 到 0x0000_2000

pmap.h 中还有很多好用的函数和宏，除了这个 pa2page 还有 PADDR、KADDR等，可以先看一看，理解下。

理解了 struct PageInfo 的结构和映射方法，可以来看 page_init 了。

page_init

page_init 初始化了 pages 数组，注释给的相当详尽了。按照上面mem_init总结的图写，可以参照 lab1笔记 中的内存布局和 memlayout.h 中关于 IOPHYSMEM、EXTPHYSMEM 的定义写。

//  初始化页面结构和内存空闲列表。
// 完成后，永远不要再使用 boot_alloc。 只使用下面的页面分配器函数来分配和取消分配物理内存。
// 通过 page_free_list 分配和删除物理内存。
//
void
page_init(void)
{
	// 这里的示例代码将所有物理页面标记为空闲。
	// 但实际情况并非如此。 哪些内存是空闲的？
	//  1) 将物理页 0 标记为使用中。
	//     这样，我们就可以保留实际模式 IDT 和 BIOS 结构，以备不时之需。 (目前还不需要，但是......）。
	//     
	//  2) 其余的基本内存 [PGSIZE, npages_basemem * PGSIZE)是空闲的。
	//     
	//  3) 然后是 IO 孔 [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)，它必须永远不会被分配。
	//     
	//  4) 然后是扩展内存 [EXTPHYSMEM, ...)  其中一些在使用中，一些是空闲的。
	//     内核在物理内存的哪里？哪些物理页已经用于页表和其他数据结构？
	//     
	// 修改代码以反映这一点。
	// 注意：切勿实际触及与空闲页面对应的物理内存！
	// 
	size_t i;
	//物理页 0 标记为使用中
	pages[0].pp_ref = 1;

	for(int i = 1; i<PGNUM(IOPHYSMEM); i++){
		pages[i].pp_ref = 0;
		pages[i].pp_link = page_free_list;
		page_free_list = &pages[i];
	}
	//然后是 IO 孔 [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)，它必须永远不会被分配。
	for(int i = PGNUM(IOPHYSMEM); i<PGNUM(EXTPHYSMEM); i++){
		pages[i].pp_ref = 1;
	}
	//获取当前空闲的内存首地址 cur_free_paddr（物理内存）
	physaddr_t cur_free_paddr = PADDR(boot_alloc(0));
	//[EXTPHYSMEM, cur_free_paddr) 中的扩展内存在使用中
	for(int i = PGNUM(EXTPHYSMEM); i<PGNUM(cur_free_paddr); i++){
		pages[i].pp_ref = 1;
	}
	//[cur_free_paddr, ...] 之后的物理内存目前是空闲的
	for(int i = PGNUM(cur_free_paddr); i<npages; i++){
		pages[i].pp_ref = 0;
		pages[i].pp_link = page_free_list;
		page_free_list = &pages[i];
	}
}

page_alloc

从pageinfo 空闲链表中摘下一个，并返回，细节见注释：

//
// 分配一个物理页面。 如果（alloc_flags & ALLOC_ZERO），则用“\0 ”字节填充返回的整个物理页
// 不要增加页的引用，page_alloc 的调用者负责增加页面的引用（显式地或通过 page_insert）。

//
// 务必将已分配页面的 pp_link 字段设置为 NULL，以便page_free 可以检查是否存在双重引用。
// 
//
// 如果没有可用内存，则返回 NULL。
//
// Hint: use page2kva and memset
struct PageInfo *
page_alloc(int alloc_flags)
{
	// Fill this function in
	if(page_free_list == NULL){
		return NULL;
	}
	//取出一个空闲 pageinfo
	struct PageInfo * pp = page_free_list;
	page_free_list = page_free_list->pp_link;
	pp->pp_link = NULL;
	//置零
	if(alloc_flags & ALLOC_ZERO){
		void* pp_kv = page2kva(pp);
		memset(pp_kv, 0, PGSIZE);
	}
	
	return pp;
}

page_free

//
// 返回一个页面到空闲列表。
// （只有当 pp->pp_ref 达到 0 时才调用此函数）。
//
void
page_free(struct PageInfo *pp)
{
	//  填充此函数
	// Hint: You may want to panic if pp->pp_ref is nonzero or
	// pp->pp_link is not NULL.
	if(pp->pp_ref != 0 || pp->pp_link != NULL){
		panic("page_free: pp->pp_ref is nonzero or pp->pp_link is not NULL.");
	}
	pp->pp_link = page_free_list;
	page_free_list = pp;
}

到此为止，练习1就算完成了，然后测试一下

没毛病

Part2：虚拟内存

Part2的核心是页表管理，经过Part1我们可以完成了对 PageInfo 链表 page_free_list 和 数组 pages 的维护。其中pages 存储了所有的Pageinfo对象，page_free_list则记录了空闲的物理页。通过链表能够更方便的分配和释放，通过数组可以轻松的完成PageInfo到其对应的物理页地址的映射。

在进行这一节的学习前，需要了解关于 x86 保护模式的知识。主要是关于分段和页转换方面的，练习2的内容即学习 80386手册中的相关章节。这部分手册写的很好，这里简单翻译了一下，已经了解了的话直接跳到 2.2页表管理

2.1 前置知识

练习 2. 如果您还没有阅读《英特尔 80386 参考手册》
[《英特尔 80386 参考手册》](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/readings/i386/toc.htm)第 5 章和第 6 章，请阅读这两章。仔细阅读有关页面转换和基于页面的保护的章节（5.2 和 6.4）。我们建议你也略读一下有关分段的章节；虽然 JOS 使用分页硬件来实现虚拟内存和保护，但在 x86 上无法禁用分段转换和基于分段的保护，因此你需要对其有基本的了解。

关于虚拟地址、线性地址、物理地址

在 x86 术语中，虚拟地址 virtual address 由段选择器和段内偏移量组成。线性地址 linear address是在段转换后、页转换前得到的地址。物理地址 physical address 是经过段和页转换后最终得到的地址，也是最终通过硬件总线到达 RAM 的地址。

           Selector  +--------------+         +-----------+
          ---------->|              |         |           |
                     | Segmentation |         |  Paging   |
Software             |              |-------->|           |---------->  RAM
            Offset   |  Mechanism   |         | Mechanism |
          ---------->|              |         |           |
                     +--------------+         +-----------+
            Virtual                   Linear                Physical

C 指针是虚拟地址的 “偏移 ”部分。在 boot/boot.S 中，我们安装了全局描述符表 (GDT)，通过将所有段基址设置为 0 和将限制设置为 0xffffffffff，有效地禁用了段转换。因此，“选择器 ”不起作用，线性地址始终等于虚拟地址的偏移量。在实验 3 中，我们将不得不与分段进行更多交互，以设置权限级别，但至于内存转换，我们可以在整个 JOS 实验中忽略分段，而只关注页面转换。

记得在实验室 1 的第 3 部分中，我们安装了一个简单的页表，这样内核就可以在 0xf0100000 的链接地址上运行，尽管它实际上是加载在 ROM BIOS 上方 0x00100000 的物理内存中。这个页表只映射了 4MB 的内存。在本实验室为 JOS 设置的虚拟地址空间布局中，我们将扩展虚拟地址空间布局，以映射从虚拟地址 0xf0000000 开始的前 256MB 物理内存，并映射虚拟地址空间的其他一些区域。

练习 3. 虽然 GDB 只能通过虚拟地址访问 QEMU 的内存，但在设置虚拟内存时检查物理内存往往很有用。查看实验工具指南中的 QEMU 监视器命令，尤其是 xp 命令，它可以让你检查物理内存。要访问 QEMU 监视器，请在终端按下 Ctrl-a c（同样的绑定返回串行控制台）。

使用 QEMU 监视器中的 xp 命令和 GDB 中的 x 命令检查相应物理地址和虚拟地址的内存，确保看到的数据相同。

我们的 QEMU 补丁版本提供的 info pg 命令也很有用：它显示了当前页表的紧凑而详细的信息，包括所有映射的内存范围、权限和标志。Stock QEMU 还提供了 info mem 命令，可显示虚拟地址的映射范围和权限概览。

从 CPU 上执行的代码来看，一旦我们进入保护模式（在 boot/boot.S 中首先进入），就无法直接使用线性地址或物理地址。所有内存引用都被解释为虚拟地址，并由 MMU 进行转换，这意味着 C 语言中的所有指针都是虚拟地址。

例如，在物理内存分配器中，JOS 内核经常需要将地址作为不透明值或整数来处理，而不对其进行取消引用。这些地址有时是虚拟地址，有时是物理地址。为了帮助记录代码，JOS 源代码区分了这两种情况：uintptr_t 类型代表不透明的虚拟地址，physaddr_t 代表物理地址。这两种类型实际上只是 32 位整数（uint32_t）的同义词，因此编译器不会阻止你将一种类型赋值给另一种类型！由于它们都是整数类型（而不是指针），如果你试图取消引用，编译器会发出抱怨。

JOS 内核可以通过先将 uintptr_t 转换为指针类型来取消引用 uintptr_t。相比之下，内核无法合理地取消引用物理地址，因为 MMU 会翻译所有内存引用。如果将 physaddr_t 转换为指针类型并取消引用，也许可以加载和存储到得到的地址（硬件会将其解释为虚拟地址），但很可能得不到想要的内存位置。

JOS 内核有时需要读取或修改只知道物理地址的内存。例如，向页表添加映射可能需要分配物理内存来存储页目录，然后初始化该内存。但是，内核无法绕过虚拟地址转换，因此无法直接加载和存储到物理地址。JOS 从虚拟地址 0xf0000000 的物理地址 0 开始重映射所有物理内存的原因之一，就是帮助内核读写只知道物理地址的内存。为了将物理地址转换为内核可以实际读写的虚拟地址，内核必须在物理地址上加上 0xf0000000，才能在重映射区域找到相应的虚拟地址。你应该使用 KADDR(pa) 来完成这一加法。

有时，JOS 内核还需要根据内核数据结构所在内存的虚拟地址来查找物理地址。内核全局变量和由 boot_alloc() 分配的内存位于内核加载区域，从 0xf0000000 开始，也就是我们映射所有物理内存的区域。因此，要将该区域的虚拟地址转换为物理地址，内核只需减去 0xf0000000。你应该使用 PADDR(va) 来做减法。

参考计数

在今后的实验中，您经常会同时在多个虚拟地址（或多个环境的地址空间）中映射同一个物理页。您将在与物理页对应的结构 PageInfo 的 pp_ref 字段中记录每个物理页的引用次数。当某个物理页面的引用次数为零时，就可以释放该页面，因为它已不再被使用。一般来说，这个计数应该等于物理页在所有页表中出现在 UTOP 以下的次数（UTOP 以上的映射大多是由内核在启动时设置的，永远不会被释放，所以没有必要对它们进行引用计数）。我们还将用它来记录指向页面目录页面的指针数量，以及页面目录对页面表页面的引用数量。

使用 page_alloc 时要小心。它返回的页面的引用计数始终为 0，因此一旦对返回的页面进行了操作（例如将其插入页表），就应该立即递增 pp_ref。有时会由其他函数处理（例如 page_insert），有时则必须由调用 page_alloc 的函数直接处理。

2.2 页表管理

Part2 虚拟内存的关键就在于页表管理。Part1 我们通过 pages 实现了 PageInfo 对象和真实物理内存的 1对1 映射。而页表管理则是实现 页表项（pte）和 PageInfo 的 n对1 映射。没错，对于同一个页目录(pgdir，pde组成的数组)来说，一个PageInfo可能被多个pte记录下来(所以PageInfo有个 ref 成员)。

为了实现这样的页表管理，练习4带着我们编写一套例程来管理页表：插入和删除线性到物理映射，并在需要时创建页表页面。

练习 4. 在 kern/pmap.c 文件中，您必须实现以下函数的代码。

        pgdir_walk()
        boot_map_region()
        page_lookup()
        page_remove()
        page_insert()
	
从 mem_init() 调用的 check_page()，用于测试页表管理例程。在继续执行之前，应确保它报告成功。

我在做这个练习的时候发现页表管理的 page_insert 和 page_remove 与物存管理的 page_alloc 和 page_free 有点容易混淆。这时候要记住，物存管理的 page_alloc 和 page_free处理的是 pageinfo 到物理页的映射，是1对1映射，我们只要维护page_free_list和pages数组即可。
而页表管理的 page_insert 和 page_remove 处理的是 pte 到 pageinfo的映射，是n对1映射，我们需要维护双层页表结构，以及PageInfo的ref。

pgdir_walk()

给定 pgdir，返回va对应的pte的指针。按照页表的结构，需要：

1. 通过va的高10位在pgdir中找 pde，
2. 通过pde的高20位找到对应的 pte_table
3. 通过va的次高10位，在pte_table 中找 pte
   因为 mem_init 的时候，我们实际上只有两个 pte_table。因此上面第2步可能会发现，pte_table还不存在，需要page_alloc。这是唯二需要做pageinfo计数递增操作的地方。另一个计数递增的地方发生在 page_insert中。

// 给定指向页面目录指针 “pgdir”，pgdir_walk 返回指向线性地址 “va ”的页表项 (PTE) 的指针。
// 这需要走两级页表结构。相关的页表页可能还不存在。
// 如果不存在，且 create == false，则 pgdir_walk 返回 NULL。
// 否则，pgdir_walk 将使用 page_alloc 分配一个新的页表页。
//    - 如果分配失败，pgdir_walk 返回 NULL。
//    - 否则，新页面的引用计数被递增，页面被清空，pgdir_walk 返回一个指向新页表页面的指针。
//
// Hint 1: 可以使用 kern/pmap.h 中的 page2pa() 将 PageInfo * 转换为其引用页的物理地址。
// Hint 2: x86 MMU 同时检查页目录和页表中的权限位，因此页目录中的权限比严格需要的权限更大是安全的。
// Hint 3: 查看 inc/mmu.h，获取用于操作页表和页目录项的有用宏。
//
pte_t *
pgdir_walk(pde_t *pgdir, const void *va, int create)
{
	// Fill this function in
	// 查找va对应的页目录项(PDE)
	pde_t * pde_ptr = &pgdir[PDX(va)]; //用数组的形式写更容易理解
	// PTE_P没有置位，说明pde_ptr对应页表(pte_table)没有分配
	if (!(*pde_ptr & PTE_P)) {
		if(create){//如果对应的pte_table的内存空间还没有申请，则申请空间，并填写pde
			struct PageInfo *pp = page_alloc(ALLOC_ZERO);//申请一个物理页
			if(pp == NULL){//如果没有物理页了，直接返回NULL
				return NULL;
			}
			pp->pp_ref ++;
			//将物理页的“物理地址”填写至pde
			*pde_ptr = page2pa(pp) | PTE_U |PTE_W|PTE_P;
		}else{
			return NULL;
		}
	}
	//PTE_ADDR(*pde_ptr)取pde的前20位，含义是va对应的pte所在pte_talbe的*物理*地址
	//注意啊，是物理地址，在这里必须使用KADDR宏，因为代码在执行时会将地址当做虚拟地址处理，即要经过页转换
	pte_t *pte_table = KADDR(PTE_ADDR(*pde_ptr));
	pte_t * pte_ptr = &pte_table[PTX(va)]; //PTX(va)取va的中间10位，含义是va对应的pte在页表中的索引
	return pte_ptr;
}

boot_map_region

//
// 将虚拟地址空间的 [va, va+size) 映射到以 pgdir 为根的页表中的物理地址空间 [pa, pa+size)。 
// 大小是 PGSIZE 的倍数，va 和 pa 都是页面对齐的。
// 对条目使用权限位 perm|PTE_P。
//
// 该函数仅用于设置 UTOP 以上的 “静态 ”映射。因此，它不应**改变映射页面上的 pp_ref 字段。
//
// Hint: the TA solution uses pgdir_walk
static void
boot_map_region(pde_t *pgdir, uintptr_t va, size_t size, physaddr_t pa, int perm)
{
	// Fill this function in
	size_t page_num = size / PGSIZE;    
	if (size % PGSIZE != 0) {
		page_num++;
	}                            //计算总共有多少页
	for (int i = 0; i < page_num; i++) {
		//获取 va 在pgdir中的pte
		pte_t *pte_ptr = pgdir_walk(pgdir, (void *)va, 1);//获取va对应的PTE的地址
		if (pte_ptr == NULL) {
			panic("boot_map_region(): out of memory\n");
		}
		*pte_ptr = pa | PTE_P | perm; //将pa填写到 va对应的pte中
		pa += PGSIZE;             //更新pa和va，进行下一轮循环
		va += PGSIZE;
	}
}

page_insert

// 在虚拟地址 “va ”处映射物理页 “pp”。
// 页表项的权限（低 12 位）应设置为 “perm|PTE_P”。
// should be set to 'perm|PTE_P'.
//
// Requirements
//   - 如果'va'处已经映射了一个页面，则应将其 page_remove()。
//   - 如有必要，应按要求分配一个页表并插入到'pgdir'中。
//   - 如果插入成功，pp->pp_ref 应递增。
//   -  如果'va'中以前存在页面，则必须使 TLB 失效。
//
// Corner-case hint: 请务必考虑在同一 pgdir 中的同一虚拟地址重新插入同一 pp 时会发生什么情况。
// 不过，尽量不要在代码中区分这种情况，因为这经常会导致微妙的错误；
// 有一种优雅的方法可以在一条代码路径中处理所有问题。
//
// RETURNS:
//   0 on success
//   -E_NO_MEM, if page table couldn't be allocated
//
// Hint: The TA solution is implemented using pgdir_walk, page_remove,
// and page2pa.
//
int
page_insert(pde_t *pgdir, struct PageInfo *pp, void *va, int perm)
{
	// Fill this function in
	pte_t * pte_ptr = pgdir_walk(pgdir, va, 1);

	if(pte_ptr == NULL){
		return -E_NO_MEM;
	}

	pp->pp_ref ++;
	if((*pte_ptr) & PTE_P){
		page_remove(pgdir, va);
	}
	physaddr_t pa = page2pa(pp);

	*pte_ptr = pa | PTE_P | perm;

	pgdir[PDX(va)] |= perm;

	return 0;
}

page_lookup

// 返回映射到虚拟地址 “va ”的 struct PageInfo。
// 如果 pte_store 不为零，我们将在其中存储该页面的 pte 地址。 
// page_remove 使用了这个地址，它可以用来验证系统调用参数的页面权限，但大多数调用者不应该使用它。
// 
// 如果在 va 处没有页面映射，则返回 NULL。
//
// Hint: the TA solution uses pgdir_walk and pa2page.
//
struct PageInfo *
page_lookup(pde_t *pgdir, void *va, pte_t **pte_store)
{

	pte_t * pte_ptr = pgdir_walk(pgdir, va, 0);
	if(pte_ptr == NULL||!(*pte_ptr & PTE_P)){
		return NULL;
	}
	physaddr_t pa = PTE_ADDR(*pte_ptr);
	struct PageInfo * pp = pa2page(pa);

	if(pte_store != NULL){
		*pte_store = pte_ptr;
	}
	return pp;
}

page_remove

// 解映射虚拟地址 “va ”处的物理页。
// 如果该地址处没有物理页，则什么也不做。
//
// Details:
//   - 物理页面上的 refcount 应该递减。
//   - 如果 refcount 为 0，则释放物理页。
//   - 对应于'va'的 pg 表项应设置为 0。
//     （如果存在这样的 PTE）
//   - 如果从页表中删除一个条目，TLB 必须失效。
//
//
// Hint: The TA solution is implemented using page_lookup,
// 	tlb_invalidate, and page_decref.
//
void
page_remove(pde_t *pgdir, void *va)
{
	// Fill this function in
	pte_t * pte_ptr = NULL;
	struct PageInfo * pp = page_lookup(pgdir, va, &pte_ptr);
	if(pp == NULL){
		return ;
	}
	*pte_ptr = 0;
	page_decref(pp);
	tlb_invalidate(pgdir, va);
}

到此为止练习4算是结束了。

Part3:内核地址空间

经过Part2，我们拥有了将虚拟地址va映射到物理地址pa的能力（以及取消映射的能力）。Part3我们利用Part2的基础设施，对32位线性地址空间进行规划，将地址空间划分为内核区域（高地址）和用户区域（低地址）。分界线由 inc/memlayout.h 中的 ULIM 符号定义，为内核保留了约 256MB 的虚拟地址空间。

在Lab2，我们先只考虑运行一个进程的情况。在后面完整的JOS，每个进程都会有一个页表，其中内核部分而页表内容都一样，使用相同的虚拟地址，且都映射同一块物理地址；
用户部分使用相同的虚拟内存空间，但是映射的物理地址则不同，是各自的代码。为了实现这一目标，需要进行。

权限和故障隔离

对于每一个进程而言，JOS的内核和用户空间处在同一个地址空间中。为了限制用户代码只能访问用户内存区域，需要使用PTE的标志位，标记用户可以访问的内存区域。
要知道，内核的代码是由我们完成的，我们可以控制，但是操作系统还要加载用户的代码，作为内核的开发者，我们当然不希望每次加载的用户的代码破坏掉内核数据，导致崩溃。也不洗某个进程窃取其他进程的数据。

具体来说：

• 用户进程没有权限访问 ULIM 以上的任何内存，而内核则可以读写这些内存。
• 对于地址范围 [UTOP,ULIM)，内核和用户环境的权限相同：可读、不可写。该地址范围用于向用户环境公开某些内核数据结构的只读权限。
• UTOP 以下的地址空间供用户环境使用；用户环境将设置访问该内存的权限。

初始化内核地址空间

inc/memlayout.h 显示了你应该使用的布局。你将使用刚才编写的函数来设置适当的线性到物理映射。

练习 5. 填写调用 check_page() 后 mem_init() 中缺失的代码。

现在，您的代码应能通过 check_kern_pgdir() 和 check_page_installed_pgdir() 检查。

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Now we set up virtual memory

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// 将 “页面 ”映射到线性地址 UPAGES 的用户只读位置
	// 权限：
	// UPAGES 处的新映像 -- 内核 R、用户 R
	// （即 perm = PTE_U | PTE_P）
	// - 页面本身 -- 内核 RW，用户 NONE
	// 你的代码放在这里：
	boot_map_region(kern_pgdir, UPAGES, PTSIZE, PADDR(pages), PTE_U);

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// 使用 “bootstack ”所指的物理内存作为内核堆栈。 内核堆栈从虚拟地址 KSTACKTOP 开始向下增长。
	// 我们认为从 [KSTACKTOP-PTSIZE, KSTACKTOP) 开始的整个范围都是内核堆栈，但将其分成两部分：
	// * [KSTACKTOP-KSTKSIZE, KSTACKTOP) -- 由物理内存支持
	// * [KSTACKTOP-PTSIZE, KSTACKTOP-KSTKSIZE) -- 没有物理内存支持；
	// 所以如果内核堆栈溢出，它将出错而不是覆盖内存。 被称为 “保护页”。
	// 权限：内核 RW，用户 NONE
	// 你的代码放在这里：
	boot_map_region(kern_pgdir, KSTACKTOP-KSTKSIZE, KSTKSIZE, PADDR(bootstack), PTE_W);
	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// 将所有物理内存映射到 KERNBASE。
	// 也就是说，VA 范围 [KERNBASE, 2^32) 应该映射到 PA 范围 [0, 2^32 - KERNBASE)
	// 我们可能没有 2^32 - KERNBASE 字节的物理内存，但我们还是设置了映射。
	// 权限：内核 RW，用户 NONE
	// Your code goes here:
	boot_map_region(kern_pgdir, KERNBASE, 0xffffffff - KERNBASE, 0, PTE_W);
	// Check that the initial page directory has been set up correctly.
	check_kern_pgdir();

其实，直到目前为止，我们使用的页表还是 lab1 中那个entrypgdir.c 中写死的页表，在lab1中，我们忽略了这个页表的解释，现在可以回来看一看了。

所以说，目前的物理内存和虚拟地址空间的映射关系如下：

可以看到，在Part1中，物理内存增加了 kern_pgidr和pages。在part2中由于一些内存映射操作（pgdir_walk操作可能为保存新的pte_table而插入物理页），物理内存增加了一些pte_table。
但是左边，地址映射却没有变化。

这是因为，上面的操作完全是对 kern_pgdir这个pde数组做的修改，以及对插入的新pte_table们的修改，我们还没有用修改CR3寄存器，加载我们新的页表 kern_pgdir。

让我们继续将 mem_init 的最后一段看完，

// 从 entry_pgdir 切换到我们刚刚创建的完整 kern_pgdir 页表。	
// 我们的指令指针现在应该位于 KERNBASE 和 KERNBASE+4MB 之间的某个位置，这两个页表的映射方式相同。
	lcr3(PADDR(kern_pgdir));

	check_page_free_list(0);

	// entry.S set the really important flags in cr0 (including enabling
	// paging).  Here we configure the rest of the flags that we care about.
	cr0 = rcr0();
	cr0 |= CR0_PE|CR0_PG|CR0_AM|CR0_WP|CR0_NE|CR0_MP;
	cr0 &= ~(CR0_TS|CR0_EM);
	lcr0(cr0);

	// Some more checks, only possible after kern_pgdir is installed.
	check_page_installed_pgdir();

LCR3指令将kern_pgdir加载后，物理内存和虚拟地址空间的映射如下：

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