6.S081-2021-Lab3 Pgtbl学习笔记

Speed up system calls

根据hints查看kernel/proc.c中的函数proc_pagetable

// kernel/proc.c

// Create a user page table for a given process,

// with no user memory, but with trampoline pages.

pagetable_t

proc_pagetable(struct proc *p)

{

  // map the trampoline code (for system call return)

  // at the highest user virtual address.

  // only the supervisor uses it, on the way

  // to/from user space, so not PTE_U.

  if(mappages(pagetable, TRAMPOLINE, PGSIZE,

              (uint64)trampoline, PTE_R | PTE_X) < 0){

    uvmfree(pagetable, 0);

    return 0;

  }

  // map the trapframe just below TRAMPOLINE, for trampoline.S.

  if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,

              (uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){

    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);

    uvmfree(pagetable, 0);

    return 0;

  }

  ....

}

结合代码以及手册，USYSCALL页面的位置在heap之前，trapfram之后

only read 对应赋予PTE_R | PTE_U

// kernel/proc.c

...

  // map the trapframe just below TRAMPOLINE, for trampoline.S.

  if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,

              (uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){

    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);

    uvmfree(pagetable, 0);

    return 0;

  }

  // map the usyscall just below TRAPFRAME

  if (mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE,

              (uint64) (p->usyscall), PTE_R | PTE_U) < 0) {

      uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);

      uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);

      uvmfree(pagetable, 0);

      return 0;

  }

  return pagetable;

分配和初始化页面

Don't forget to allocate and initialize the page in allocproc().

在allocate函数中参考empty user page的方式依葫芦画瓢为usyscall分配空间

同时要记得将pid返回到用户态，这样才能在用户态直接使用pid

在kernel/proc.h的struct proc中添加 struct usyscall* usyscall

  ....

  // Allocate a USYSCALL page.

  if((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0)  {

    freeproc(p);

    release(&p->lock);

    return 0;

  }

  p->usyscall->pid = p->pid;

  // An empty user page table.

  p->pagetable = proc_pagetable(p);

  if(p->pagetable == 0){

    freeproc(p);

    release(&p->lock);

    return 0;

  }

  ...

解除映射的部分有两个函数要修改

Make sure to free the page in freeproc().

这里一定要释放，不然后面的test过不了

在函数proc_freepagetable添加代码

  // Free a process's page table, and free the

  // physical memory it refers to.

  void

  proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz)

  {

    // free USYSCALL

    uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);

    uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);

    uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);

    uvmfree(pagetable, sz);

  }

在函数freeproc添加代码

  static void

  freeproc(struct proc *p)

  {

    if(p->trapframe)

      kfree((void*)p->trapframe);

    p->trapframe = 0;

    if (p->usyscall)

        kfree((void *) p->usyscall);

    if(p->pagetable)

      proc_freepagetable(p->pagetable, p->sz);

    ...

  }

Print a page table

在exec.c文件的return argc语句前插入if(p->pid==1) vmprint(p->pagetable)

参考freewalk

void

freewalk(pagetable_t pagetable)

{

  // 一张页表由512个页表项(PTE)组成

  for(int i = 0; i < 512; i++){

    // 取出当前页表项

    pte_t pte = pagetable[i];

    // 当该条目有效，但却无法读、写、执行的时候

    // 说明这是一条指向子页面的PTE，递归遍历子页面

    if((pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0){

      // this PTE points to a lower-level page table.

      uint64 child = PTE2PA(pte);

      freewalk((pagetable_t)child);

      pagetable[i] = 0;

    } else if(pte & PTE_V){

      panic("freewalk: leaf");

    }

  }

  kfree((void*)pagetable);

}

我们的vmprint基本就是copy freewalk只不过不需要free页面

照着格式来

在kernel/vm.c编写函数vmprint，别忘了在kernel/defs.h中声明

void

backtrace(pagetable_t pagetable, int level)

{

  for(int i = 0; i < 512; i++){

    pte_t pte = pagetable[i];

    if ((pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R | PTE_W | PTE_X)) == 0) {

      uint64 child = PTE2PA(pte);

      for (int j=0; j <= level; j++) {

        printf("..");

        if ((j+1) <= level) {

          printf(" ");

        }

      }

      printf("%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);

      backtrace((pagetable_t)child, level+1);

    }

    else if (pte & PTE_V) {

      uint64 child = PTE2PA(pte);

      printf(".. .. ..%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);

    }

  }

}

void vmprint(pagetable_t pagetable)

{

  printf("page table %p\n", pagetable);

  backtrace(pagetable, 0);

}

Detecting which pages have been accessed

这个实验需要我们判断页面是否被访问过，为此需要添加一个标志位PTE_A来标识页面是否被访问过

You'll need to define PTE_A, the access bit, in kernel/riscv.h. Consult the RISC-V manual to determine its value.

根据提示查阅手册

在kernel/riscv.h中添加

#define PTE_A (1L << 6) // access bit

You'll need to parse arguments using argaddr() and argint()

First, it takes the starting virtual address of the first user page to check. Second, it takes the number of pages to check. Finally, it takes a user address to a buffer to store the results into a bitmask (a datastructure that uses one bit per page and where the first page corresponds to the least significant bit)

根据这两个提示我们可以猜测出三个参数的类型应该分别为uint64,int,uint64，分别是第一个需要检查的用户页的虚拟地址，要检查的页表数，以及输出结果的用户态地址(因为内核态跟用户态的空间是不互通的，所以要借助 copyout 将 bitmask 传给用户态程序)

根据参数可以知道我们是要查看n个页的，问题是只给了第一个用户页的虚拟地址，之后的n个页怎么查看。其实只需要每次循环加上页表大小PGSIZE就能到下一个页了

同时我们来看一下walk，它的作用是根据虚拟地址返回页表中对应的PTE

pte_t *

walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc)

{

  if(va >= MAXVA)

    panic("walk");

  for(int level = 2; level > 0; level--) {

    // 主要注意这里，请结合下图理解

    pte_t *pte = &pagetable[PX(level, va)];

    if(*pte & PTE_V) {

      pagetable = (pagetable_t)PTE2PA(*pte);

    } else {

      if(!alloc || (pagetable = (pde_t*)kalloc()) == 0)

        return 0;

      memset(pagetable, 0, PGSIZE);

      *pte = PA2PTE(pagetable) | PTE_V;

    }

  }

  return &pagetable[PX(0, va)];

}

#define PGSHIFT 12  // 对应图中的offset

#define PXSHIFT(level)  (PGSHIFT+(9*(level))) //L2 L1 L0 都是9位，+9*level是为了定位到对应的level上

#define PX(level, va) ((((uint64) (va)) >> PXSHIFT(level)) & PXMASK) //获得L2或L1，L0的bits

明白了walk的功能就可以完成这一部分的任务了

通过虚拟地址VA确定PTE(walk来完成)
检查PTE的标志位PTE_A是否为1，1表示被访问过
- 记得将PTE_A清0，以防影响再次调用sys_pgaccess时影响判断
VA+=PGSIZE得到下一个页面的虚拟地址

#ifdef LAB_PGTBL

uint64

sys_pgaccess(void)

{

  uint64 va;

  int page_num;

  uint64 user_bitmask_addr;

  if(argaddr(0, &va) < 0)

    return -1;

  if(argint(1, &page_num) < 0)

    return -1;

  if(argaddr(2, &user_bitmask_addr) < 0)

    return -1;

  // 32是看test得出来的

  // It's okay to set an upper limit on the number of pages that can be scanned.

  if(page_num < 0 || page_num > 32)

    return -1;

  uint32 bitmask = 0;

  pte_t *pte;

  struct proc *p = myproc();

  for(int i = 0; i < page_num; i++){

    if(va >= MAXVA)

      return -1;

	// alloc不为0，walk就会为找不到对应pte地址的va申请一个页

    // 显然不存在，就表示没有被访问过

    // 我们无需创建页，这不是当前函数的职责

    pte = walk(p->pagetable, va, 0);

    if(pte == 0)

      return -1;

    if(*pte & PTE_A){

      bitmask |= (1 << i);

      // Be sure to clear PTE_A after checking if it is set.

      *pte &= (~PTE_A);

    }

    va += PGSIZE;

  }

  if(copyout(p->pagetable, user_bitmask_addr, (char*)&bitmask, sizeof(bitmask)) < 0)

    return -1;

  return 0;

}

#endif

巴特西