Icarus

ucore lab 2

物理内存管理

基本流程

为了完成物理内存管理，首先要探测可用的物理内存资源，了解物理内存位于什么地方，有多大，再以固定页面大小划分整个物理内存空间，准备以此为最小内存分配单位来管理整个物理内存，设置其可用状态为free,used,reserved。再建立页表，启动分页机制，让MMU将预先建好的页表项读到TLB中，根据页表项描述的虚拟页和物理页的对应关系完成CPU对内存的读写执行操作。

在实验中主要关注pmm_init函数，完成的工作包括：

1. 初始化物理内存页管理器框架pmm_manager
2. 建立空闲的page链表，分配以4KB为单位的空闲内存
3. 检查物理内存页分配算法
4. 为确保切换到分页机制后可执行，建立临时二级页表
5. 建立一一映射关系的二级页表
6. 开启分页机制
7. 重新设置全局段描述符表
8. 取消临时二级页表
9. 检查页表建立是否正确
10. 通过自映射机制完成页表打印输出（扩展内容）

探测系统物理内存布局

获取内存大小方法由BIOS中断调用和直接探测两种。BIOS中断调用一般只能在实模式下完成，直接探测方法必须在保护模式下完成。终端获取内存布局有三种方法，基于INT 15h中断，分别为88h，e801h和e820h，并非所有情况三种都生效，在linux中是依次尝试三种方法。在本实验中采用e820h来实现。因为在实模式下，因此写在了bootloader中，调用该中断，将映射结构保存在0x8000处。

INT 15h能完成一系列功能，这里调用参数为e820h的INT 15h BIOS中断，获取内存映射地址描述符。

INT 15h中断这里的调用参数如下

eax: e820h
edx: 534D4150h (即4个ASCII字符“SMAP”) 一个签名
ebx: 如果第一次调用或者内存区域扫描完毕，则为0,否则存放上次调用之后的计数值
ecx: 保存地址范围描述符的内存大小，应该大于等于20字节
es:di:指向保存地址范围描述符结构的缓冲区，BIOS把信息写入这个结构的起始地址

返回值如下：

eflags CF位：中断执行成功则不置位，否则置位
eax:'SMAP'
es:di: 指向保存地址范围描述符的缓冲区，数据由BIOS填写完毕
ebx:下一个地址范围描述符的计数地址
ecx：地址范围描述符的字节大小
ah: 失败时候保存出错代码

我们便可以通过此中断调用，递增di的值（20的倍数），从而找到内存布局的entry，放到保存地址范围描述副结构的缓冲区中，便于后续ucore管理。该缓冲区结构体定义如下：

struct e820map {
    int nr_map;
    struct {
        uint64_t addr;
        uint64_t size;
        uint32_t type;
    } __attribute__((packed)) map[E820MAX];
};

接下来我们来观察在bootloader中的汇编码实现探测内存，汇编代码如下：

probe_memory:
    movl $0, 0x8000 # 置0
    xorl %ebx, %ebx # 置0
    movw $0x8004, %di # 设置起始地址
start_probe:
    movl $0xE820, %eax # 设置参数
    movl $20, %ecx  # 设置长度20字节
    movl $SMAP, %edx # 签名
    int $0x15 # 调用中断
    jnc cont # 没有问题则跳转，出现问题则finish
    movw $12345, 0x8000
    jmp finish_probe
cont:
    addw $20, %di # 设置下一个起始地址
    incl 0x8000  #递增结构体成员变量nr_map
    cmpl $0, %ebx # 如果为0则探测结束，否则继续
    jnz start_probe
finish_probe:

以页为单位管理物理内存

获得可用内存范围后，需要建立想对应数据结构来完成管理操作，4KB对齐。这里每个物理页采用Page的数据结构来实现，Page设计需要尽量小

练习

准备

练习1 实现first-fit连续物理内存分配算法（需要编程）

练习2 实现寻找虚拟地址对应的页表项（需要编程）

练习3 释放某虚拟地址所在页并取消对应二级页表项的映射（需要编程）

扩展练习 伙伴系统分配算法

扩展练习 任意大小内存单元slub分配算法