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概述

本文主要介绍lab2，讲的是操作系统内存管理，从内容上分为三部分：

1. 第一部分讲的是物理内存管理，要进行内存管理首先需要知道哪些物理内存是空闲的，哪些是被使用的。还需要实现一些函数对这些物理内存进行管理。
2. 第二部分讲的是虚拟内存。一个虚拟地址如何被映射到物理地址，将实现一些函数来操作页目录和页表从而达到映射的目的。
3. 第三部分讲的是内核的地址空间。将结合第一部分和第二部分的成果，来对内核地址空间进行映射。

Part 1: Physical Page Management

通过lab1可以总结出如下的物理内存分布图：

大致上可以分为三部分：

1. 0x00000~0xA0000：这部分叫做basemem，是可用的。
2. 接着是0xA0000~0x100000：这部分叫做IO Hole，不可用。
3. 再接着就是0x100000以上的部分：这部分叫做extmem，可用。
   kern/pmap.c中的i386_detect_memory()统计有多少可用的物理内存，将总共的可用物理内存页数保存到全局变量npages中，basemem部分可用的物理内存页数保存到npages_basemem中。

Exercise 1：

需要我们写一个物理内存页的allocator。要求实现kern/pmap.c文件中的boot_alloc()，mem_init()，page_init()，page_alloc()，page_free()。check_page_free_list()和check_page_alloc()中会有一些测试用例，如果没有通过两个函数则说明代码有问题，一种类似TDD的开发流程。
从lab1知道，进入内核后首先调用的是i386_init()，该函数会调用mem_init()。mem_init()调用其他工具函数实现内核内存管理。该函数首先调用i386_detect_memory()来计算有多少可以的物理内存页保存到npages和npages_basemem中。然后调用boot_alloc()。
boot_alloc()实现如下：

static void * boot_alloc(uint32_t n) {     static char *nextfree;  // virtual address of next byte of free memory     char *result;      // Initialize nextfree if this is the first time.     // 'end' is a magic symbol automatically generated by the linker,     // which points to the end of the kernel's bss segment:     // the first virtual address that the linker did *not* assign     // to any kernel code or global variables.     if (!nextfree) {         extern char end[];                          //在/kern/kernel.ld中定义的符号，位于bss段的末尾         nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);     }      // Allocate a chunk large enough to hold 'n' bytes, then update     // nextfree.  Make sure nextfree is kept aligned     // to a multiple of PGSIZE.     //     // LAB 2: Your code here.     result = nextfree;     nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);     cprintf("boot_alloc memory at %x, next memory allocate at %x\n", result, nextfree);     return result; }

该函数维护一个static的指针nextfree，初始值是end，end是定义在/kern/kernel.ld中定义的符号，位于bss段的末尾。也就是说从内核的末尾开始分配物理内存。需要添加的代码是：

    result = nextfree;     nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);     cprintf("boot_alloc memory at %x, next memory allocate at %x\n", result, nextfree);     return result;

每次调用都返回nextfree，然后根据参数n更新nextfree的值，使其指向下一个空闲地址处。
mem_init()调用boot_alloc()，将返回值赋给全局变量kern_pgdir，kern_pgdir保存的是内核页目录的物理地址。
接着根据mem_init()中的注释：

    // Allocate an array of npages 'struct PageInfo's and store it in 'pages'.     // The kernel uses this array to keep track of physical pages: for     // each physical page, there is a corresponding struct PageInfo in this     // array.  'npages' is the number of physical pages in memory.  Use memset     // to initialize all fields of each struct PageInfo to 0.

在mem_init()中补充如下代码：

    pages = (struct PageInfo*)boot_alloc(sizeof(struct PageInfo) * npages); //分配足够大的空间(PGSIZE的倍数)保存pages数组     memset(pages, 0, sizeof(struct PageInfo) * npages);