實(shí)驗(yàn)八分頁存儲(chǔ)器管理實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹W(xué)習(xí)i386處理器的二級頁表硬件機(jī)制，理解分頁存儲(chǔ)器管理原理?！げ榭碋OS應(yīng)用程序進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程的二級頁表映射信息，理解頁目錄和頁表的管理方式?！ぞ幊绦薷捻撃夸浐晚摫淼挠成潢P(guān)系，理解分頁地址變換原理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.2的步驟，觀察到了EOS應(yīng)用程序進(jìn)程的頁目錄和頁表，說明了頁目錄所在的物理頁框號是從CR3寄存器中取得的，并且在頁目錄中顯示了所有有效的PDE的下標(biāo)和PDE的值。在各個(gè)頁表中也同樣顯示了所有有效的PTE的下標(biāo)和值。在下標(biāo)為0x200的PDE對應(yīng)的頁表中，所有的1024個(gè)PTE都映射了物理頁，且這1024個(gè)物理頁的物理頁框號是連續(xù)的。頁目錄和物理頁中都標(biāo)記了它們所在的邏輯地址，也就是說通過訪問這些邏輯地址，就可以訪問這些物理頁中的數(shù)據(jù)。但是，在頁表中卻標(biāo)記了每個(gè)頁表所能夠映射的4MB邏輯地址空間的基址，這樣可以方便用戶從頁表信息中迅速掌握進(jìn)程在4GB邏輯地址空間中的布局。當(dāng)EOS操作系統(tǒng)啟動(dòng)i386處理器的分頁機(jī)制后，就只能使用邏輯地址（虛擬地址）來訪問物理內(nèi)存，所以只有知道了頁目錄和頁表的虛擬地址，才能夠訪問它們。針對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.2中提出的問題，進(jìn)行以下嘗試和回答：應(yīng)用程序進(jìn)程的頁目錄和頁表一共占用了幾個(gè)物理頁？頁框號分別是多少？答：頁目錄占用一個(gè)物理頁，頁框號是0x409；頁表占用5個(gè)物理頁，頁框號分別是是0x41D、0x401、0x403、0x404、0x402。映射用戶地址空間（低2G）的頁表的物理頁框號是多少？該頁表有幾個(gè)有效的PTE，或者說有幾個(gè)物理頁用來裝載應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)？物理頁框號分別是多少？答：映射用戶地址空間的頁表的頁框號是0x41D；該頁表有11個(gè)有效的PTE；物理頁框號分別是0x41E、0x41F、0x420、0x421、0x422、0x423、0x424、0x425、0x426、0x427、0x428。3、執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.3的步驟，觀察到了應(yīng)用程序進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程并發(fā)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)程的頁目錄和頁表。學(xué)到了頁目錄在虛擬地址空間中的基址的獲得方式：頁目錄的第0x300個(gè)PDE映射的頁表就是頁目錄本身，這樣頁表（頁目錄）的第0x300個(gè)PTE又映射到頁目錄，所以用PDE標(biāo)號（0x300）做32位線性地址的高10位，用PTE標(biāo)號（0x300）做12－22位，就得到了地址0xC0300000。同理，頁表在虛擬地址空間中基址的獲得方式：頁目錄的第0x300個(gè)PDE映射的頁表是頁目錄本身，而且頁目錄的第0x0個(gè)PDE映射了第0x0個(gè)頁表，所以頁表（頁目錄）的第0x0個(gè)PTE就映射到第0x0個(gè)頁表。用PDE標(biāo)號（0x300）做32位線性地址的高10位，用PTE標(biāo)號（0x0）做12－22位，就得到了地址0xC0000000。4、針對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.3中提出的問題，進(jìn)行以下嘗試和回答：EOS啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)程是一直運(yùn)行的，所以當(dāng)創(chuàng)建應(yīng)用程序進(jìn)程后，系統(tǒng)中就同時(shí)存在了兩個(gè)進(jìn)程，這兩個(gè)進(jìn)程是否有各自的頁目錄？在頁目錄映射的頁表中，哪些是應(yīng)用程序進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程共享的，哪些是獨(dú)占的？分析其中的原因。答：系統(tǒng)進(jìn)程和應(yīng)用程序進(jìn)程一定有各自的頁目錄；映射了用戶地址空間的頁表被應(yīng)用程序進(jìn)程獨(dú)占，頁框號是0x41D，映射了內(nèi)核地址空間的頁表都是共享的。統(tǒng)計(jì)當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程并發(fā)時(shí)，總共有多少物理頁被占用？答：系統(tǒng)進(jìn)程占用的物理頁只有頁目錄與其不同，所以應(yīng)用程序進(jìn)程占用的1066物理頁，系統(tǒng)進(jìn)程頁目錄占用的1物理頁，總共1067物理頁被占用。思考為什么系統(tǒng)進(jìn)程（即內(nèi)核地址空間）占用的物理頁會(huì)減少？答：應(yīng)用程序結(jié)束后，EOS內(nèi)核會(huì)刪除應(yīng)用程序進(jìn)程在內(nèi)核地址空間中占用的內(nèi)存，例如刪除PCB對象等。這些內(nèi)存必須要回收，否則如果一個(gè)應(yīng)用程序反復(fù)運(yùn)行多次，內(nèi)核空間就有可能被耗盡，操作系統(tǒng)就失去了可靠性。5、執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.4的步驟，觀察到了同一個(gè)應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件創(chuàng)建的兩個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程在并發(fā)時(shí)各自的頁目錄和頁表，學(xué)習(xí)到了多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程是如何共享內(nèi)核空間的，以及同一個(gè)應(yīng)用程序的不同進(jìn)程是如何擁有各自獨(dú)立的用戶空間，從而完成隔離的。同一個(gè)應(yīng)用程序創(chuàng)建的兩個(gè)并發(fā)的進(jìn)程，它們的用戶虛擬地址空間完全相同，而映射的物理頁完全不同，從而保證相同的行為（執(zhí)行過程）可以在獨(dú)立的空間內(nèi)完成。6、針對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.4中提出的問題，進(jìn)行以下嘗試和回答：假設(shè)進(jìn)程一使用的0x416和0x417物理頁保存了應(yīng)用程序的可執(zhí)行代碼，由于可執(zhí)行代碼通常是不變的、只讀的，現(xiàn)在假設(shè)優(yōu)化過的EOS允許同一個(gè)應(yīng)用程序創(chuàng)建的多個(gè)進(jìn)程可以共享那些保存了可執(zhí)行代碼的物理頁，嘗試結(jié)合圖16-3寫出共享可執(zhí)行代碼的物理頁后進(jìn)程二用戶地址空間的映射信息。并說明共享可執(zhí)行代碼的物理頁能帶來哪些好處。答：共享可執(zhí)行代碼的物理頁可以提高運(yùn)行效率高，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。前面的問題只是解決了共享可執(zhí)行代碼物理頁的問題，其實(shí)就算是易變的數(shù)據(jù)所占用的物理頁也是可以共享的。例如在創(chuàng)建進(jìn)程二時(shí)，可以使之共享進(jìn)程一中那些還沒有發(fā)生過寫操作的數(shù)據(jù)頁，然后當(dāng)進(jìn)程一或進(jìn)程二對共享的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行寫操作時(shí)，必須先復(fù)制一個(gè)新的數(shù)據(jù)頁映射到自己的進(jìn)程空間中，然后再完成寫操作，這就是“寫時(shí)復(fù)制”（Copyonwrite）技術(shù)。請讀者進(jìn)一步說明使用“寫時(shí)復(fù)制”技術(shù)能帶來哪些好處。感興趣的讀者也可以嘗試在EOS操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“寫時(shí)復(fù)制”技術(shù)。答：寫時(shí)復(fù)制是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)化策略。其核心思想是，如果有多個(gè)調(diào)用者同時(shí)請求相同資源（如內(nèi)存或磁盤上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），他們會(huì)共同獲取相同的指針指向相同的資源，直到某個(gè)調(diào)用者試圖修改資源的內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)真正復(fù)制一份專用副本給該調(diào)用者，而其他調(diào)用者所見到的最初的資源仍然保持不變。這過程對其他的調(diào)用者都是透明的。寫時(shí)復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)是如果調(diào)用者沒有修改該資源，就不會(huì)有副本被建立，因此多個(gè)調(diào)用者只是讀取操作時(shí)可以共享同一份資源。統(tǒng)計(jì)當(dāng)兩個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程并發(fā)時(shí)，總共有多少物理頁被占用？有更多的進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行呢？根據(jù)之前的操作方式，嘗試在更多的控制臺(tái)中啟動(dòng)應(yīng)用程序來驗(yàn)證自己的想法。如果進(jìn)程的數(shù)量足夠多，物理內(nèi)存是否會(huì)用盡，如何解決該問題？答：以進(jìn)程1占用的物理頁為基準(zhǔn)，進(jìn)程2共有14個(gè)物理頁與其不同，1069＋14＝1083，即總共有1083物理頁被占用。如果有更多的進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行，就會(huì)有更多的物理頁被占用，由于物理頁的數(shù)量是有限的，物理內(nèi)存會(huì)被用盡?？梢允褂锰摂M內(nèi)存技術(shù)解決該問題。7、執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.5的步驟，學(xué)會(huì)了在系統(tǒng)進(jìn)程的二級頁表中映射新申請的物理頁。說明了雖然進(jìn)程可以訪問4G虛擬地址空間，但是只有當(dāng)一個(gè)虛擬地址通過二級頁表映射關(guān)系能夠映射到實(shí)際的物理地址時(shí)，該虛擬地址才能夠被訪問，否則會(huì)觸發(fā)缺頁異常；所有未用的物理頁都是由EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核統(tǒng)一管理的，使用時(shí)必須向內(nèi)核申請；為虛擬地址映射物理頁時(shí)，必須首先為頁目錄安裝頁表，然后再為頁表安裝物理頁，并且只有在刷新快表后，對頁目錄和頁表的更改才能生效；不同的虛擬地址可以映射相同的物理頁，從而實(shí)現(xiàn)共享。驗(yàn)證以上第一個(gè)結(jié)論時(shí)，通過調(diào)試EOS會(huì)出現(xiàn)藍(lán)屏，并顯示錯(cuò)誤原因是由于14號異常（缺頁異常）引起的。原因就是由于從MapNewPage.c文件復(fù)制的第二行代碼所訪問的虛擬地址沒有映射物理內(nèi)存，所以對該虛擬地址的訪問會(huì)觸發(fā)缺頁異常，而此時(shí)EOS還沒有為缺頁異常安裝中斷服務(wù)程序，所以就調(diào)用KeBugCheck函數(shù)顯示藍(lán)屏錯(cuò)誤了。調(diào)試結(jié)果如圖所示：注釋掉會(huì)觸發(fā)異常的那行代碼，EOS恢復(fù)正常，調(diào)試結(jié)果如圖所示：通過調(diào)試驗(yàn)證其他結(jié)論，結(jié)果如圖所示：思考練習(xí)3.修改EOSApp.c中的源代碼，通過編程的方式統(tǒng)計(jì)并輸出頁目錄和頁表的數(shù)目。注意頁目錄被復(fù)用為頁表。答：修改后代碼如下：((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Writable

=

1;

MiFlushEntireTlb();

//

//

測試

//

OutputFormat

=

"Read

Memory

0xE0001000:

%d\n";

fprintf(StdHandle,

OutputFormat,

*((PINT)0xE0001000));

KdbPrin