第9天：内存管理

1、内容1：整理源文件

因为之前为了能让鼠标动起来，不断的修改bootpack.c文件，使得文件程序代码变得很长，因此将程序进行整理修改。
具体修改如下：

需要注意的是，在Makefile文件中的OBJS_BOOTPACK=里，要将keyboard.obj和mouse.obj
也要补进去。
运行之后一切正常。

2、内容2：内存容量检查（1）

要进行内存管理的第一步便是要确定内存有多大，范围是从哪里到哪里。通过自己制作程序去检查内存，而不是通过BIOS来询问。
为什么不用BIOS呢？
因为虽然在最初启动时，BIOS会检查内存容量，我们只需要询问BIOS就可以知道内存容量有多大。但这样的做法，会使asmhead.nas变长，另一方面，因为BIOS的版本不同，BIOS函数的调用方法也不相同，会导致很多的麻烦。
自己检查内存的方法：
首先先让486以后的CPU的高速缓存功能无效，在读出、向内存里写入数据时，首先更新高速缓存的信息，然后再写入内存。如果先写入内存，那么在等待写入完成的期间，CPU处于空闲状态，这样会影响速度，因此，先更新缓存，缓存控制配合内存的速度，然后再慢慢发送内存写入命令。
在内存检查时，要往内存里随便写入一个值，然后马上读取，来检查读取的值与写入的值是否相等。如果内存连接正常，那么写入的值能够记在内存里。如果没连接上，那么读出的值便会是混乱的。如果在CPU里加上了缓存，那么写入和读出的便不是内存，而是缓存，最后便会导致所有的内存检查都是正常的，那么检查处理便不能完成。因此，只有在内存检查时将缓存设为OFF，这样才能进行正常的内存检查。
如何判断缓存是否要关闭，就需要先检查CPU是不是在486以上，如果是的话，那么就将缓存关闭。
创建memtest函数来实现（在b文件夹中的bootpack文件）：

首先判断CPU是否是486以上还是386的，如果是486以上的话，那么EFLAGS寄存器的第18位就是所谓的AC标志位，如果CPU是386的，那么就没有这个标志位，第18位会是一直保持为0。现将1写入到第18位，然后再读出EFLAGS的值，继而检查AC标志位是否仍未1，最后，将AC标志位重置为0。
将AC标志位重置为0时，将eflag与上_{EFLAGS_AC_BIT即可。}是取反运算符，将所有的位都反转，~EFLAGS_AC_BIT与0xfffbffff一样。
使用汇编语言编写函数load_cr0和store_cr0，对CR0寄存器的某一标志位进行操作来禁止缓存。
Load_cr0和store_cr0函数如下（在b文件夹中的naskfunc文件）：

Memtest_sub函数：内存检查处理的实现部分（在b文件夹中的bootpack文件）

调查从起始地址到结束地址的范围，即能够使用的内存的末尾地址。如果p不是指针的话，就不能通过制定地址去读取内存，因此先执行p=i，然后用这个p，先将原来的值保存下来。接着试写0xaa55aa55，在内存里反转这个值，检查反转后的结果是否正确，如果是正确的，那么就再反转它，检查是都等于一开始设置的初始值。然后再用old变量，将内存的值恢复回去。如果在这个过程中，没有恢复到原来的值，那么就在某个地方停止，并报告停止时的地址。
反转的实现通过xor运算符来实现，*p^{=0xffffffff是*p=*p}0xffffffff的省略形式。I的值每次增加4是因为每次要检查4个字节。
运行程序之后发现运行速度很慢，因此改变i的赋值，i在之前是每次增加4，而要检查全部内存的话，步长太小了，因此改成了每次增加0x1000，相当于4KB，这样速度变提升了。除此以外，将p=i修改为p=i+0xffc，让其只检查末尾的4个字节。
每次增加4字节
修改HariMain程序：

暂时先使用程序对0x00400000~0xbfffffff范围的内存进行检查，这个程序最大可以识别3GB范围的内存。0x0040000号以前的内存已经被使用过了，没有内存，程序也不会运行到这里，因此就没有做内存检查。在这里我们使用MB为单位，因为byte或KB为单位来显示结果不容易看明白。
实验结果：

内存容量并不是我们所预期的32MB，而是3072MB，也就是我们之前的检查程序出现了问题。

3、内容3：内存容量检查（2）*6b文件夹

在之前的内存检查中检查到内存容量为3072MB，而不是32MB，这是因为C编译器的bug，它自动将我们的程序进行了修改以达到它所谓的最优程序。
首先用make –r bootpack.nas来运行，先确认bootpack.c被编译成了什么样的机器语言。


将上述与之前的memtest_sub函数比较，可以发现编译结果与我们原来程序的显示是不一样的。
C编译器的过程：
首先将内存的内容保存到old里，然后写入part0的值，再反转，最后跟pat1进行比较。在编译器的思路中，这是一定相等的，因而就将其删掉，接下来是比较*p和pat0是否相等，在它觉得，这也是一定相等的，因而为了提升速度，将这一部分也删去，因此，之前的c程序就变为了：

再接着，反转再反转，最终还是回到初始的状态，因而这些处理也可以删去，因此程序就变成了下述情况：


再接着，p=pat0，本来就没有意义，要将old的值赋给p，因此程序变为了：

在这里，*p并没有写入什么内容，并且，地址变量p虽然计算了地址，但其实一次也没有用掉，编译器便将这些全部舍弃。
最终编译器优化后的代码如下：

并不是一开始所设计的程序的意思了，因此需要进行修改。如果更改编译选项，是可以停止最优化处理的，但是之后还有其他的部分需要用到编译器的最优化处理，因此，决定将memtest_sub也用汇编来描写。
用汇编写的程序如下：6c文件夹

编写完后，将bootpack.c中的memtest_sub函数删去，再运行。
运行结果：

4、内容4：挑战内存管理

什么是内存管理？为什么要进行内存管理？
操作系统在工作中，有时需要分配一定大小的内存，在用完之后又不再需要，为了应付这些需求，需要管理好哪些内存可以使用（即哪些内存空闲），哪些内存不可以使用（即正在使用）。如果不进行管理，系统便会不知道哪里可用，或者多个应用程序使用同一地址的内存。
内存管理的基础，一是内存分配，一是内存释放。如果程序需要多少内存，内存管理程序便会给出一个能*使用的内存地址，另一方面，内存使用完了，需要把内存归还给内存管理程序。
假设有128MB的内存，即0x08000000个字节，假设以0x1000个字节为单位管理。
方案1：
0x80000000/0x1000=0x8000=32768，首先创建32768字节的区域，可以向其中写入0或者1来标记哪里是空的，哪里是正在使用的。
如果需要100KB的空间，那么只要从a中找出连续25个标记位0的地方即可。

如果找到了标记连续为0的地方，暂时将这些地方标记为“正在使用”，然后从j的值计算出对应的地址。以0x1000字节为管理单位，所以将j放大0x1000倍即可。


如果要释放这部分内存空间，用地址值除以0x1000，计算出j即可。

再次需要内存的时候，这个地方又可以再次使用。
方案2：
列表管理，类似于将“从xxx号地址开始的yyy字节的空间是空着的”这种信息都存在列表里。

考虑到即使可用内存部分不连续，设置1000个free。如果需要100KB的空间，只要查看memman中free的状态，从中找到100MB以上的可用空间即可。

如果找到了可用内存空间，就将这一段信息从可用内存空间管理表中删除。

如果size变成了0，即这一段可用信息不再需要了，就将这条信息删除，frees减去1即可。释放内存时，增加一条可用信息，frees加1。如果这段新释放出来的内存与相邻的可用空间能连到一起，就将他们归纳为一条。
比如：

归纳为：

如果不将可归纳的归纳，当之后系统要求提供0x07bf00000字节的内存时，即使有这么多可用空间，但查找程序却会找不到。
内存管理表的优点：
占用内存少，管理3GB的内存只需要8KB左右即可。大块内存的分配和释放都非常迅速。在分配内存时，只要加法运算和减法运算各执行一次就结束了。
缺点：
管理程序变复杂了，尤其是将可用信息归纳到一起的处理，会变得十分复杂。当可用空间被搞得零零散散时，会将1000条可用空间管理信息全部用完。
为了解决这些问题，可以先将一部分内存割舍掉，当memmam有空余时，再对使用中的内存进行检查，将割舍掉的那部分内容再捡回来。
创建的程序：


在struct MEMMAN，创建了4000组，留出余量。函数memmam_init对memman进行初始化，设定为空，主要是将frees设为0。函数memmam_total用来计算可用内存的合计大小并返回。最后的memmam_alloc函数，分配指定大小的内存。
释放内存的函数：

Memmam需要32KB，因此使用0x003c0000开始的32KB，然后计算内存总量memtotal，将现在不用的内存以0x1000个字节为单位注册到memman里，最后显示合计可用内存容量。在QEMU上执行时，有时会注册成632KB和28MB，632+28672=29304，因此屏幕上会显示出29304KB。
实验结果：

二、遇到的问题及解决方法

1、问题1：cache具体的工作原理是什么？

解决方法：当CPU处理数据时，它会先到Cache中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从随机存取存储器（Main memory）中读取数据——由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快，主存储器周期（访问主存储器所需要的时间）为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。
提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”，即一定程序执行时间和空间内，被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用，不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”，还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术——尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存里。

2、问题2：AC标志位是什么？
解决方法：AC (Alignment check)——位18,对齐检查。置位该标志和控制寄存器CR0 的AM 标志则启用对内存引用的对齐检查，清除这两个标志则禁用对齐检查。当引用一个没有对齐的操作数时，将会产生一个对齐检查异常，比如在奇地址引用一个字地址或在不是4 的倍数的地址引用一个双字地址。对齐检查异常只在用户态（3 级特权）下产生。默认特权为0 的内存引用，比如段描述符表的装载，并不产生这个异常，尽管同样的操作在用户态会产生异常。对齐检查异常用于检查数据的对齐，当处理器之间交换数据时这很有用，交换数据需要所有的数据对齐。对齐检查异常也可供解释程序使用。让某些指针不对齐就好比做上特殊标记，这样就无需对每个指针都进行检查，只在用到的时候，对这些特殊指针进行处理就可以了。