OS-Lab3

Foolish-Han Lv2
  2025-02-22 12:58:50 2025-02-22 12:58:50 创建   2025-02-23 13:26:40 2025-02-23 13:26:40 更新      2.6k 字  9 分钟  

Lab3 实验报告

思考题

Thinking 3.1

请结合 MOS 中的页目录自映射应用解释代码中 e-> env_pgdir [PDX(UVPT)] = PADDR(e-> env_pgdir) | PTE_V 的含义。

UVPT(user virtual page table)：用户页表起始处的内核虚拟地址

PDX(UVPT)：UVPT 的页目录号

PADDR(e-> env_pgdir)：用户页目录的内核虚拟地址

PTE_V：页表项的有效位

将页目录中第 PDX(UVPT) 项映射到页目录，使得用户可以访问到页目录的内容（只读）。

Thinking 3.2

elf_load_seg 以函数指针的形式，接受外部自定义的回调函数 map_page。请你找到与之相关的 data 这一参数在此处的来源，并思考它的作用。没有这个参数可不可以？为什么？

  • data 在 load_icode 函数调用 elf_load_seg 时，以参数 e 的形式传入，即进程页控制块的指针。
  • 没有这个参数不可以。这个参数在 elf_load_seg 回调 load_icode_mapper 时，需要通过 e->env_pgdir 和 e->env_asid 为其指明页目录和命名空间，使得虚拟地址可以正确映射到复制到的物理空间中

Thinking 3.3

结合 elf_load_seg 的参数和实现，考虑该函数需要处理哪些页面加载的情况

  • 判断虚拟地址是否页对齐，不对齐，则首先将虚拟地址所在页面的剩余二进制数据填入对应位置中
  • 接着以页对齐的方式，将剩余的二进制数据填入对应位置中
  • 倘若其在内存中还有冗余的位置，则为其分配相应的空间

Thinking 3.4

思考上面这一段话，并根据自己在 Lab2 中的理解，回答：你认为这里的 env_tf.cp0_epc 存储的是物理地址还是虚拟地址?

虚拟地址。不论是 C 语言，还是汇编语言，其所使用的地址都是虚拟地址。

Thinking 3.5

试找出 0、 1、 2、 3 号异常处理函数的具体实现位置。 8 号异常（系统调用）涉及的 do_syscall() 函数将在 Lab4 中实现。

  • 0 号异常处理函数 handle_int 在 genex.S 中实现，lab3 只能处理时钟中断，最终跳转到 sched.c 中的 schedule 实现
  • 1 号异常处理函数 handle_mod 在 genex.S 中进行分发，跳转到 tlbex.c 中的 do_tlb_mod 函数实现
  • 2、3 号异常处理函数 handle_tlb 在 genex.S 中进行分发，跳转到 tlbex.c 中的 tlb do_tlb_refill 函数实现

Thinking 3.6

阅读 entry.S、 genex.S 和 env_asm.S 这几个文件，并尝试说出时钟中断在哪些时候开启，在哪些时候关闭。

当时钟中断发生后，进入 entry.S 中的 exc_gen_entry 函数进行处理，该函数首先调用 stackframe.h 中的 SAVE_ALL 来保存现场，然后关闭时钟中断，进行异常分发处理。在 genex.S 中通过 handle_int 处理时钟中断，跳转到 sched.c 中的 schedule 实现，在 schedule 最后调用 env_run 时，又调用了 env_run 函数。该函数最后调用了实现在 env_asm.S 中的 env_pop_tf 函数。env_pop_tf 又跳转到 genex.S 中的 ret_from_exception 函数，这个函数调用 stackframe.h 中的 RESTORE_ALL 来恢复现场，重新开启时钟中断。

Thinking 3.7

阅读相关代码，思考操作系统是怎么根据时钟中断切换进程的。

类似 3.6，当发生时钟中断后，系统在 sched.c 中通过 schedule 调度进程，当满足一定条件时（详见 [Exercise 3.12](#Exercise 3.12)），则换下一个进程运行（可能仍然是当前进程）。

难点分析

Exercise 3.1

TAILQ 宏定义分析

1
_TAILQ_HEAD(name, type, qual)

定义一个双向尾队列，这个结构体的名称为 name，元素类型为 type，里面含有一个指向队列头元素的指针 tqh_first 和指向队列尾元素的下一个元素的指针的指针 tqh_last，qual 为限定符（ quality : const, volatile…）。

1
TAILQ_HEAD(name, type)

定义一个双向尾队列，这个结构体的名称为 name，元素类型为 type，里面含有一个指向队列头元素的指针 tqh_first 和指向队列尾元素的下一个元素的指针的指针 tqh_last。

1
TAILQ_HEAD_INITIALIZER(head)

初始化双向尾队列 head（不是指针），将其 tqh_first 设置为 NULL，将其 tqh_last 设置为 tqh_first 的地址。给元素赋值时作为常量使用，注意与 TAILQ_INIT(head) 区分。

1
_TAILQ_ENTRY(type, qual)

定义双向尾队列元素的指针域，元素类型为 type，里面含有一个指向下一个元素地址的指针 tqe_next，一个指向前一个元素的下一个元素指针的指针 tqe_prev，qual 为限定符（ quality : const, volatile…）。

1
TAILQ_ENTRY(type)

定义双向尾队列元素的指针域，元素类型为 type，里面含有一个指向下一个元素地址的指针 tqe_next，一个指向前一个元素的下一个元素指针的指针 tqe_prev。

1
TAILQ_INIT(head)

初始化指针 head 指向的双向尾队列，将其 tqh_first 设置为 NULL，将其 tqh_last 设置为 tqh_first 的地址。初始化队列时作为宏函数使用，注意与 TAILQ_HEAD_INITIALIZER(head) 区分。

1
TAILQ_INSERT_HEAD(head, elm, field)

在指针 head 指向的双向尾队列中，将指针 elm 指向的元素插在队列头，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_INSERT_TAIL(head, elm, field)

在指针 head 指向的双向尾队列中，将指针 elm 指向的元素插在队列尾，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_INSERT_AFTER(head, listelm, elm, field)

在指针 head 指向的双向尾队列中，将指针 elm 指向的元素插在指针 listElm 指向的元素后面，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_INSERT_BEFORE(listelm, elm, field)

将指针 elm 指向的元素插在指针 listElm 指向的元素前面，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_REMOVE(head, elm, field)

在指针 head 指向的双向尾队列中，将指针 elm 指向的元素从中移除，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_FOREACH(var, head, field)

遍历指针 head 指向的双向尾队列，var 为已声明好的元素指针，供遍历时使用，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_CONCAT(head1, head2, field)

将指针 head2 指向的双向尾队列插入到指针 head1 指向的双向尾队列后面，并将指针 head2 指向的队列清空，field 为元素的指针域结构体名称。

1
TAILQ_EMPTY(head) ((head)->tqh_first == NULL)

判断指针 head 指向的双向尾队列是否为空。

1
TAILQ_FIRST(head) ((head)->tqh_first)

获得指针 head 指向的双向尾队列的第一个元素的指针。

1
TAILQ_NEXT(elm, field) ((elm)->field.tqe_next)

获得双向尾队列中，elm 指向的元素的下一个元素的指针，field 为元素的指针域结构体名称。

注意事项

  • 初始化空闲进程列表、调度进程列表
  • 从 envs[NENV-1] 开始倒序将进程控制块插入空闲进程列表中。

Exercise 3.2

利用 page_insert 函数，将从 va va + i 的虚拟地址映射到 pa pa + i，逐页将物理地址转化为页控制块指针，插入即可。

Exercise 3.3

尝试分配一个页面作为进程的页目录，将页面的引用次数加一，同时设置到进程控制块中。

Exercise 3.4

  • 空闲进程列表为空，则返回错误值；不为空，则取出其中第一个进程控制块
  • 尝试初始化新进程的地址空间
  • 为新进程设置父进程的 id，并为自己获取 id，尝试分配命名空间
  • 从空闲进程列表中移除，赋值到传入指针指定的空间中

Exercise 3.5

  • 尝试分配页
  • 利用 memcpy 将 src 处开始长度为 len 字节的内容复制到页的起始处（page2kva(p)）加 offset 偏移量的位置上

Exercise 3.6

将进程控制块中 env_tf 的 cp0_epc 设置为 elf 文件的入口地址，使得进程调度时可以从正确的位置开始执行

Exercise 3.7

  • 分配一个进程用于初始化，父进程 id 设置为 0，代表该进程为根节点的进程
  • 为该进程设置优先级，并将状态设置为可运行
  • 载入该进程执行所需的二进制数据，并将该进程插入到进程调度列表中

Exercise 3.8

  • 设置进程运行所需的页目录
  • 调用汇编函数恢复现场，指明该进程的 trapframe 地址和命名空间

Exercise 3.9

  • 从 CP0_CAUSE 中获取异常信息
  • 取其 6:2 位获得中断码
  • 根据中断码获取相应中断的处理地址
  • 跳转到相应位置处理中断

Exercise 3.10

按照要求将 .text.exc_gen_entry 段和 .text.tlb_miss_entry 段 放到相应的地址空间即可

Exercise 3.11

  • 将计数器清零
  • 将 CP0_COMPARE 设置为预先确定的值

Exercise 3.12

  • 当前进程为空 或 时间片用完 或 当前进程不可运行 或 当前进程主动让出时间片时
    • 如果当前进程不为空
      • 把它从调度进程列表中移除
      • 如果当前进程可运行
        • 重新添加到调度进程列表的尾部
    • 判断调度进程列表是否为空并在为空时发出警告
    • 从调度进程列表中取出一个新的进程控制块
    • 设置时间片长度为该进程的优先级
  • 该进程用掉一个时间片，时间片长度减一
  • 运行该进程

实验体会

这次实验和上次实验一样，难点都不在于代码的补全，而在于整个进程调度的流程、中断处理的方式以及各个函数的调用关系的把控。实验代码中有大量令人困惑的缩写、难以理解的操作，尽管不影响补全，但往往既不知其然，也不知其所以然，学了也跟没学一样。指导书也只能提供极为有限的帮助。

对此，只有顺着 mips_init 的调用逐层去尽可能的理解代码，在各个 C 文件、汇编文件、链接文件之间反复横跳，尽可能地去顿悟（问 AI、看博客、做梦）。毕竟，这次上机也告诉我们，不理解整个体系的代价就是不给提示就做不下去。

目录
OS-Lab3
  1. 1. Lab3 实验报告
    1. 1.1. 思考题
      1. 1.1.1. Thinking 3.1
      2. 1.1.2. Thinking 3.2
      3. 1.1.3. Thinking 3.3
      4. 1.1.4. Thinking 3.4
      5. 1.1.5. Thinking 3.5
      6. 1.1.6. Thinking 3.6
      7. 1.1.7. Thinking 3.7
    2. 1.2. 难点分析
      1. 1.2.1. Exercise 3.1
        1. 1.2.1.1. TAILQ 宏定义分析
        2. 1.2.1.2. 注意事项
      2. 1.2.2. Exercise 3.2
      3. 1.2.3. Exercise 3.3
      4. 1.2.4. Exercise 3.4
      5. 1.2.5. Exercise 3.5
      6. 1.2.6. Exercise 3.6
      7. 1.2.7. Exercise 3.7
      8. 1.2.8. Exercise 3.8
      9. 1.2.9. Exercise 3.9
      10. 1.2.10. Exercise 3.10
      11. 1.2.11. Exercise 3.11
      12. 1.2.12. Exercise 3.12
    3. 1.3. 实验体会