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操作系统的作业：内存管理。TLB、LRU、clock

分类: 文章 • 2024-03-22 13:25:16

实验内容：

1、阅读代码回答问题

(1) 当前系统下，内存大小Mainmemory是多少？

PageSize=128,  NumPhysPages=128,   Mainmemory=128*128=2^7*2^7=2^14;  内存大小是4KB

(2) 理解从空间分配，加载代码数据，取指执行的流程

空间分配：调用AddrSpace的构造函数，先为该进程分配页表，然后使用for循环建立虚拟内存和物理内存之间的对应关系。

加载代码数据：这部分功能由AddrSpace类中的load（）函数实现。在这个函数中，打开了用户文件，读文件头中的信息，计算所需要的内存大小，再调用divRoundUP()函数计算所需要的页的个数。然后根据文件头中的信息，如果有代码段，写入kernel内核中的主存中，数据段也是同样的道理。

取指执行：初始化CPU寄存器，使得它指向需要指向的第一条指令。由于load()加载的数据是虚拟地址，寄存器读取的也是虚拟地址，所以正式执行前需要进行转换。初始化寄存器是AddrSpace（）类中的InitRegister（）方法。还需要RestoreState()函数将进程中的页表拷贝到CPU中去维护。最后调用machine中的Run()方法，使用OneInstruction函数模拟一次取指令和执行该指令的操作。

(3) PageTable表中，虚拟地址和物理地址的对应关系如何？Translate函数如何工作。

①　Translate()函数有4个参数：

l virtAddr:用户程序的逻辑地址；

l physAddr:转换后的实际地址；

l size：数据类型的大小；

l writing：读/写内存标志

   

②　判断用户的逻辑地址是否对齐：

l 如果size是2，virtAddr必须是2的倍数；

l 如果size是4，virtAddr必须是4的倍数。

l 没有对齐则返回AddressErrorException。

 

③　 计算出虚拟地址所在页号v*n以及所在页面的偏移量

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④　  采用不同的转换方法做不同的处理：

l 如果采用的是线性转换表：当v*n>=pageTableSize时，虚拟页数过大，返回AddressErrorException；如果页表中显示该页无效，返回PageFaultException；一切正常得到相应的页表表项。

l 如果采用的是TLB转换表：如果查找到了，得到相应的页表表项；如果没有查找到，返回PageFaultException

⑤　  如果得到的页表表项是只读，但是设置的是writing，返回ReadOnlyException

⑥　如果物理地址大于实际内存物理地址，返回BusErrorException

⑦　设置表项正在使用标志，如果writing标志设置，设置表项中的dirty标志

⑧　然后在页表中查找它们所在的物理页框号，计算物理地址。

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返回NoException。

 

 

(4) 什么情况下会产生PageFault的exception, 是否有对应处理函数？

在Translate()函数中，采用线性转化表时，如果查找的页是无效的，返回PageFaultException；采用TLB表，如果没有查到，返回PageFaultException。Translate()函数在ReadMem()函数中被调用，因而PageFaultException被返回到ReadMem()函数中进行判断，并被传入到RaiseException()函数中，这个函数会调用ExceptionHandler()函数，由它对传入的异常进行处理。

在这个函数 中，由switch语句判断传入的是异常还是系统调用，如果是系统调用再采用一个switch-case语句判断是何种系统调用；如果是异常直接打印出错信息。需要说明的是，在处理完PageFaultException之后，不需要将PC+4。因为处理完异常后，返回的最终位置是OneInStruction函数的取指阶段，取指失败后，OneInstruction会退出，再用相同PC取指令。这个时候就可以命中了。

 

2. 设计LRU策略下的TLB

(1) 在本次实验中为了减少代码量，设定TLB和PageTable的关系如下所述：

TLB在系统中唯一，所有线程可用；PageTable为每个进程一个；

系统尚未实现真正意义上的虚拟内存管理，系统仅运行一个用户线程；

系统同时有TLB和 PageTable，TLB视为对PageTable中部分代码的高速缓存；

系统开始之初，TLB为空，PageTable 由NachOS代码完成原来的初始化；

系统取指时，地址的翻译由函数Translate()进行，这时从TLB中的页表项查找物理地址和虚拟地址的对应关系；

如果不命中，则产生PageFault异常，转移到异常处理函数进行处理；

该处理函数需要自己写，完成从PageTable加载对应页表项到TLB；

线程切换时，TLB需要清空；

加载到TLB之后，需要回到中断产生的地方，继续执行

(2) 在machine.h .cc中完成TLB的定义和初始化，修改数据结构增加时间记录变量

(3) 完成异常处理函数调用，以LRU方式进行TLB替换；注意必要时同步被替换项回到PageTable；//加分clock算法

(4) 时间信息可以来自stats下的totalTicks(溢出情况不考虑，该值为int，有一定隐患)；加入必要的信息，显示缺页异常发生，和TLB哪个页表项在进行替换，替换成哪个页表项

(5) 运行程序观测是否正常？如果不正常请跟踪代码，发现缺页异常处理返回后程序没有重新正常运行；

(6) 修改WriteMem和ReadMem，在缺页异常处理返回后重新调用Translate()函数

答案：

LRU运行截图：

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修改的代码：

 

源码中已经给出了TLB的实现，在machine.h中增加一个宏定义，使得nachos产生一个TLB。

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需要注意的是，在Translate.cc中的Translate（）函数中有一个判断，意思是TLB和page table不能同时存在，需要将它注释掉。

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Translate.h中，在TranslateEntry中增加一个属性lastUseTime。

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Exception.cc中。判断TLB缺页，抛出的exception时TranslateFaultException，在switch函数中进行判断，并且判断是不是TLB缺失。调用LRU算法。

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在machine.h中,实现TLB的构造，对lastUseTime进行赋值

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在machine.cc中实现MyHandleTLB（）函数：

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在Translate.cc中，修改WtriteMem（）函数，发生exception时，先判断是不是PageFaultException，如果是，调用了RaiseException()函数后，缺页已经解决，再次调用Translate（）函数。

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ReadMem函数中修改方法相同

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2. （选做）以CLOCK方式，仅使用use标志位

运行截图：

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修改代码：

Translate.h中，在TranslateEntry中增加一个属性useTag

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Translate.cc中的Translate()函数以及ReadMem（）WriteMem（）函数依然和LRU函数中的一样，不需要修改。

Exception.cc中。判断TLB缺页，调用clock算法

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Machine.h中，在machine类中增加clock算法处理TLB缺页的函数声明：MyClockTLB(int addr);

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Machine.cc中，实现这个函数。

现在文件头上增加一个全局变量cursor，这个是时钟算法中的指针。

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在TLB构造函数中，对useTag赋值为0；

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下面是对MyClockTLB(int addr)函数的实现

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