MIT6.828 32位操作系统笔记（9）----内存管理 LAB2下

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这篇博客详细介绍了MIT6.828实验中的32位操作系统内存管理，包括内核地址空间的划分，权限隔离机制，以及实验中的Exercise 5的相关问题。JOS操作系统将虚拟地址空间分为用户和内核两部分，通过页表的访问权限位防止用户进程访问内核空间，确保内核安全。此外，还讨论了操作系统的最大物理内存和管理这些内存的额外开销。

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MIT EDU 6.828 实验源代码

分类 MIT6.828 32位操作系统实验笔记

实验完善代码 LAB2-4下载链接提取码：79t8

1、内核地址空间

JOS 将32位线性地址虚拟空间分为两部分，其中用户环境（用户进程）通常占据低地址部分，叫做用户地址空间；操作系统内核总是占据高位，叫做内核地址空间。这两部分的分界线是定义在memlayout.c 中的一个宏ULIM。JOS 为内核保留了256MB 的虚拟地址空间[0xF0000000,0xFFFFFFFF]，这也解释了为什么在LAB1 我们设置的KERNBASE 是0xF0000000，否则的话用户地址空间将不够用。
在这里插入图片描述

2、权限及错误隔离

由于内核和用户进程只能访问各自的地址空间，所以我们必须在X86 页表中使用访问权限位来使用户进程的代码只能访问用户地址空间，而不会访问内核地址空间。否则，用户代码的一些错误可能会覆盖内核中的数据，最终导致内核崩溃。

处在用户地址空间中的代码不能访问高于ULIM 的地址空间，但是内核可以读写这部分的地址。需要注意的是，对于地址空间[UTOP, ULIM ] 内核和用户拥有同样的权限：只能读不能写；这个范围的空间通常被用于将一些只读的内核数据结构暴露给用户。在UTOP之下的地址范围是给用户进程使用的，用户进程可以访问、修改 [0X0, UTOP] 地址空间的内容。

接下来的实验主要是设置UTOP 之上的地址空间：这也就是整个虚拟地址空间中的内核地址空间部分。

3、Exercise 5

在这里插入图片描述

//
	// Now we set up virtual memory

	//
	// Map 'pages' read-only by the user at linear address UPAGES
	// Permissions:
	//    - the new image at UPAGES -- kernel R, user R
	//      (ie. perm = PTE_U | PTE_P)
	//    - pages itself -- kernel RW, user NONE
	// Your code goes here:
	boot_map_region(kern_pgdir,UPAGES,PTSIZE,PADDR(pages),PTE_U);

	//
	// Use the physical memory that 'bootstack' refers to as the kernel
	// stack.  The kernel stack grows down from virtual address KSTACKTOP.
	// We consider the entire range from [KSTACKTOP-PTSIZE, KSTACKTOP)
	// to be the kernel stack, but break this into two pieces:
	//     * [KSTACKTOP-KSTKSIZE, KSTACKTOP) -- backed by physical memory //由物理内存支持
	//     * [KSTACKTOP-PTSIZE, KSTACKTOP-KSTKSIZE) -- not backed; so if
	//       the kernel overflows its stack, it will fault rather than
	//       overwrite memory.  Known as a "guard page".
	//     Permissions: kernel RW, user NONE
	// Your code goes here:
	boot_map_region(kern_pgdir,KSTACKTOP-KSTKSIZE,KSTKSIZE,PADDR(bootstack),PTE_W);

	//
	// Map all of physical memory at KERNBASE.
	// Ie.  the VA range [KERNBASE, 2^32) should map to
	//      the PA range [0, 2^32 - KERNBASE)
	// We might not have 2^32 - KERNBASE bytes of physical memory, but
	// we just set up the mapping anyway.
	// Permissions: kernel RW, user NONE
	// Your code goes here:
//boot_map_region(pde_t *pgdir, uintptr_t va, size_t size, physaddr_t pa, int perm)
	boot_map_region(kern_pgdir, KERNBASE, 0x10000000, 0x0, PTE_W);

	// Check that the initial page directory has been set up correctly.
	check_kern_pgdir();

在这里插入图片描述

4、Question

到目前为止页目录表中已经包含多少有效页目录项？他们都映射在哪里？

kern_pgdir ，实际的物理地址是 0xef400000 ，在页目录的第0x3BD项中；
pages 页面，实际的物理地址是0xef000000，在页目录的第0x3BC 项中；
[KSTACKTOP-KSTKSIZE,KSTKSIZE] 内核堆栈，实际的物理地址是[0xf0000000 - KSTKSIZE , 0xf0000000] ,在页目录的第0x3BF项中；

我们将内核和用户放在同一个地址空间，为什么用户程序不会读取内核空间？用什么机制保护内核空间？

用户程序读写内核空间可能会造成程序的崩溃，正常的操作系统中采用的是段机制来保护内核空间的，但是JOS实验中只有一个段，用分页机制来实现的保护。

我们实验的操作系统的最大物理内存是多少？为什么？

从实验的代码以及上面的内存空间分布图可以知道，这个操作系统利用一个大小为4MB 的空间 [0xef000000, 0xef400000] 来存储页面信息，根据源码中PageInfo 结构可知该结构的大小为8B ，因此4MB 的空间可以存储的页面信息的个数为 4MB / 8B = 1/2 M （个），每个页面对应的物理空间为4KB，因此总的物理内存为 1/2 M * 4KB = 2GB。