实验概述¶
温（守）馨（住）提（红）示（线）
本课程实验已引入代码自动查重系统，请同学们保持学术诚信！
课程复习和预习要求
本节实验与理论课的 “虚拟内存” 和 “内存管理” 这两章课程内容相关，请同学们复习这两章课程内容。
在做实验之前，请同学们阅读xv6手册的以下章节及相关源代码：
- [1] xv6 book, Chapter 3 Page tables (页表)
- [2] kernel/memlayout.h （定义内存的布局）
- [3] kernel/vm.c （虚拟内存代码）
- [4] kernel/kalloc.c （分配和释放物理内存代码）
此外，特别推荐同学们观看由我校OS课题组、各级学长助教们合力为大家录制的XV6讲解视频，希望能够让大家对整个XV6系统有一个更为直观的认识，推荐大家按需观看：
-
【HITSZ操作系统课程组讲解XV6（一）启动过程】
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【HITSZ操作系统课程组讲解XV6（二）进程管理】
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【HITSZ操作系统课程组讲解XV6（三）内存管理】
提示
本节实验将探索内核的内存管理模块，并且需要修改相应的部分。建议阅读完所有部分，再开始代码的编写。
0. 实验分数¶
本实验有三个任务，作为最后一个MIT xv6实验，任务二和任务三的难度相比之前来说有 明显提高 ，但是我们希望大家能够尽量完成，如果实在无法完成，也可以给出你的思路，以尽可能拿到分数，即使任务二和任务三的分数占比不高。
1. 实验报告
- 回答实验中的问题 40%；
- 给出实验设计思路 60%：
- 任务一：30%
- 任务二：20%
- 任务三：10%
若对应任务未给出实验设计，那么对应任务代码分记0分。
2. 实验代码
- 任务一：50%
- 任务二：30%
- 任务三：20%
若对应任务代码无法通过测试，那么实验报告中对应任务的设计分最高只能得到满分的50%。 因此，即使没有实现，你也应该应该尽可能地给出你的思路。
1. 实验目的¶
- 了解页表的实现原理。
- 修改页表，使内核更方便的进行用户虚拟地址翻译。
2. 实验学时¶
本实验为4学时。
3. 实验内容及要求¶
请先同步上游远程仓库，并注意切换到pgtbl 分支进行试验
本次实验基于 pgtbl 分支，请同学们注意切换。
Step 1. 首先，保存实验三的代码，请参考实验实用工具的3.3.1 使用命令行完成操作或者3.3.2 使用VS Code内建的图形化界面完成操作这两小节，完成commit操作。或者， 如果你希望直接放弃掉上一次commit后的所有更改 ，那么你也可以使用-f选项强制切换分支，例如git checkout -f pgtbl。
Step 2. 切换的方法可以参考实验 -> 实验实用工具 -> 3.1同步上游仓库 ~ 3.3.3 合并冲突更改。
同时，本次实验的 输出格式不同于MIT原版实验，请严格按照指导书要求！
3.1 任务一：打印页表¶
本任务中，你需要加入页表打印功能，来帮助你在之后的实验中进行debug。
首先，我们需要了解页表的数据结构。然后，按层次每页打印即可，可以采用迭代的算法。
3.1.1 打印函数定义¶
void vmprint(pagetable_t pgtbl)
该函数将获取一个 根页表指针 作为参数，然后打印对应的页表数据。
函数的使用位置 ：注意！该函数一定要插入在exec()逻辑结束的末尾，来打印第一个进程或刚载入程序的页表数据。在开发过程中，你可以插入到其他的地方，但是最后一定只保留这一个地方的函数使用。
- 在exec.c中的返回argc之前插入vmprint()函数，以输出第一个进程或刚载入程序的页表。其中，vmprin()函数的入参可以根据你自己的设计来填入。
3.1.2 结果示例¶
当xv6启动的时候，它自身会调用 exec() 启动第一个进程 init ，这个时候我们的函数会得到以下的输出：
xv6 kernel is booting
hart 1 starting
hart 2 starting
page table 0x0000000087f6e000
/* 根页表物理地址：0x0000000087f6e000 */
||0: pte 0x0000000021fda801 pa 0x0000000087f6a000
/* 根页目录项 0，PTE内容为0x0000000021fda801，表示下一级（第二级）页表的PPN物理页帧号为0x87f6a，Flags为0x001，PTE_V有效。该物理页的起始物理地址为0x0000000087f6a000。*/
|| ||0: pte 0x0000000021fda401 pa 0x0000000087f69000
/* 第二级目录项 0，PTE的PPN物理页帧号：0x87f69，Flags为0x001。 */
|| || ||0: pte 0x0000000021fdac1f pa 0x0000000087f6b000
/* 第三级目录项 0，其PPN物理页帧号：0x87f6b，Flags为0x01f，物理块起始地址：0x0000000087f6b000 */
|| || ||1: pte 0x0000000021fda00f pa 0x0000000087f68000
/* 第三级目录项 1，其PPN物理页帧号：0x87f68，Flags为0x00f，物理块起始地址：0x0000000087f68000 */
|| || ||2: pte 0x0000000021fd9c1f pa 0x0000000087f67000
/* 第三级目录项 2，其PPN物理页帧号：0x87f67，Flags为0x01f，物理块起始地址：0x0000000087f67000 */
||255: pte 0x0000000021fdb401 pa 0x0000000087f6d000
/* 根页目录项 255，下一级（第二级）页表的PPN物理页帧号为0x87f6d，Flags为0x001，PTE_V有效。该物理页的起始物理地址为0x0000000087f6d000 */
|| ||511: pte 0x0000000021fdb001 pa 0x0000000087f6c000
/* 第二级目录项 511，PPN物理页帧号为0x87f6c，Flags为0x001 */
|| || ||510: pte 0x0000000021fdd807 pa 0x0000000087f76000
/* 第三级目录项 510，其PPN物理页帧号：0x87f76，Flags为0x007，物理块起始地址：0x0000000087f76000 */
|| || ||511: pte 0x0000000020001c0b pa 0x0000000080007000
/* 第三级目录项 511，，其PPN物理页帧号：0x80007，Flags为0x00b，物理块起始地址：0x0000000080007000 */
我们先不着急动手，先看看结果长什么样（不清楚页表的含义先不急，实验原理会告诉你）。
- 第一行打印的是
vmprint的参数，即获得的页表参数具体的值。 - 在之后打印的则是页表项。RISC-V的页表被设计成了三层（具体见实验原理），每一个”||“都代表一层。
- 之后打印的格式为：
$index: pte $pte_bits pa $physical_address。index: 指示了该页表项在当前等级页表内的序号（取值范围：0-511）；pte_bits：指示了这个页表项的十六进制值（PTE）；physical_address：指示了这个页表项对应的十六进制物理地址；- 只打印有效的pte。
在上面的示例中，根页表项只有第0项和第255项的映射是有效的，其中第0项的次页表只映射了索引0，该索引0映射了叶子页表的0、1和2。
你的代码输出的物理地址与上述示例可能不相同，但显示项数和虚拟地址应相同。
3.1.3 测试¶
运行make grade ，其中的pte printout测试就是该任务的测试（可参考测评 3.4）。
3.2 任务二：独立内核页表（难）¶
目前，xv6的每个进程都有自己独立的 用户页表 （只包含该进程用户内存的映射，从虚拟地址0开始），但是每个进程进入内核的时候，会使用唯一的一个 全局共享内核页表 。我们需要 将全局共享内核页表改成独立内核页表 ，使得每个进程拥有自己独立的内核页表，也就是全局共享内核页表的副本。
这部分有一定的难度，因此指导书会尽可能给出多的描述，大家应反复阅读，并试图将知识点串联起来。
3.2.1 独立页表的背景¶
共享内核页表中，所有物理地址都和与之完全相等的虚拟地址建立映射，也就是直接映射。这是让内核能够直接以物理地址访问内存的数据，不需要使用任何的虚拟地址。
但是 ，由于用户地址的映射并未存储于内核页表，如果我们需要处理用户程序传来的虚拟地址（比如系统调用传入的指针），我们需要先找到用户页表，逐个页表项地找到能够翻译对应虚拟地址的页表项后，才可以获取实际的物理地址并进行访问，这叫做软件模拟翻译。软件模拟翻译的实现很复杂，同时，因为需要复杂的查找，还降低了性能。
所以我们将 用户页表中的内存映射 和 原来共享内核页表中的内存映射 进行合并，这样内核也能够直接对用户的虚拟地址进行访问，而不需要软件模拟翻译。需要注意的是，这是 任务三和任务二一同 需要实现的结果，任务二分离出独立页表，任务三利用独立页表去除软件模拟翻译。
3.2.2 独立页表的要求¶
共享内核页表的映射：虚实地址相同，也就是直接映射。
独立内核页表的映射：虚实地址相同的映射应该要保留， 先不需要 加上用户页表的内容，在 任务三 中再加上加上用户页表的内容。
同时还需要修改有关的操作。
3.2.3 测试¶
首先，在xv6运行 kvmtest，如果你确实使用了独立内核页表，会看到以下结果：
然后，请在xv6运行 usertests，确保所有测试通过（显示"ALL TESTS PASSED"）。
3.3 任务三：简化软件模拟地址翻译（很难）¶
xv6目前使用kernel/vm.c中的copyin()/copyinstr()将用户地址空间的数据拷贝至内核地址空间，它们通过软件模拟翻译的方式获取用户空间地址对应的物理地址，然后进行复制（详情见代码注释）。
任务目标：你需要 在独立内核页表加上用户地址空间的映射，同时将函数 copyin()/copyinstr() 中的软件模拟地址翻译改成直接访问 ，使得内核能够不必花费大量时间，用软件模拟的方法一步一步遍历页表，而是直接利用硬件。
3.3.1 任务要求¶
- 要求提供了新的函数
copyin_new()/copyinstr_new()（在kernel/vmcopyin.c中定义）。你需要找到调用copyin()（在kernel/vm.c中定义）的地方，用copyin_new()替换之 。同样地，用copyinstr_new()代替copyinstr()。 - 在独立内核页表加上用户页表的映射，以保证刚刚替换地新函数能够使用。但是要注意地址重合问题，见“实验原理 3.5”.
3.3.2 结果示例¶
首先，在xv6运行 stats stats，如果你正确使用了copyin_new和copyinstr_new，会看到输出的数值不为零：
然后，请在xv6运行 usertests，确保所有测试通过（显示"ALL TESTS PASSED"）。
3.4 测评¶
当完成上述的三个实验后，在命令行输入 make grade 进行测试。如果通过测试，会显示如下内容：
