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#lec8: 虚拟内存spoc练习

NOTICE

  • 有"w4l2"标记的题是助教要提交到学堂在线上的。
  • 有"w4l2"和"spoc"标记的题是要求拿清华学分的同学要在实体课上完成，并按时提交到学生对应的git repo上。
  • 有"hard"标记的题有一定难度，鼓励实现。
  • 有"easy"标记的题很容易实现，鼓励实现。
  • 有"midd"标记的题是一般水平，鼓励实现。

提前准备

  • 完成lec8的视频学习和提交对应的在线练习
  • git pull uco re_os_lab, v9_cpu, os_course_spoc_exercises 　in github repos。这样可以在本机上完成课堂练习。
  • 理解如何实现建立页表，给用户态建立页表，在用户态使用虚地址，产生各自也访问错误的基本应对

视频相关思考题

8.1 虚拟存储的需求背景

  1. 寄存器、高速缓存、内存、外存的访问特征？

存储器的位置、存储管理否需要软件参与访问、存储的访问频率。

  1. 如何理解计算机中的存储层次结构所的理想状态是“均衡繁忙”状态？

均衡繁忙是指，各种存储介质都处理繁忙状态，但又不构成系统瓶颈。

  1. 在你写程序时遇到过内存不够的情况吗？尝试过什么解决方法？

遇到过，比如要开一个大数组。可以动态开数组。

8.2 覆盖和交换

  1. 什么是覆盖技术？使用覆盖技术的程序开发者的主要工作是什么？

覆盖技术：划分程序功能模块、不会同时执行的模块共享同一块内存。 程序开发者的主要工作：模块划分、确定模块的共享关系。

  1. 什么是交换技术？覆盖与交换有什么不同？

交换技术：作为一个整体的进程地址空间的换入和换出。 不同：覆盖是通过切块，解决进程空间大于物理内存的问题；交换是通过进程整体交换，解决高优先级进程运行需要的内存空间不够问题。

  1. 覆盖和交换技术在现代计算机系统中还有需要吗？可能用在什么地方？

由于现代计算机采用虚拟内存的方式，所以覆盖技术不需要。但是交换技术还可以用到。

  1. 如何分析内核模块间的依赖关系？

使用depmod命令。

  1. 如何获取内核模块间的函数调用列表？

静态代码分析、动态函数调用跟踪。

8.3 局部性原理

  1. 什么是时间局部性、空间局部性和分支局部性？

时间局部性：如果在某一点时访问了存储器的特定位置，则很可能在不久的将来将再次访问相同的位置。 空间局部性：如果特定存储位置在特定时间被访问，则很可能在不久的将来访问附近的存储位置。 分支局部性：如果在空间-时间坐标空间中路径的预期部分只有几个可能的替代方案。

  1. 如何提高程序执行时的局部性特征？

有意识地规范程序跳转和数据访问。

  1. 排序算法的局部性特征？

8.4 虚拟存储概念

  1. 什么是虚拟存储？它与覆盖和交换的区别是什么？它有什么好处和挑战？

虚拟存储：只把当前指令执行所需要的部分进程地址空间内容放在物理内存中。 虚拟存储的特征：不连续性、大用户空间、部分交换。

  1. 虚拟存储需要什么样的支持技术？

地址转换、置换算法。

8.5 虚拟页式存储

  1. 什么是虚拟页式存储？缺页中断处理的功能是什么？

虚拟页式存储是指一开始不将程序的所有页面加载进去，而是根据进程需要动态加载页面的技术。当内存使用已满时，还可以将部分页面换出到磁盘上。缺页中断处理可以帮助加载不在内存中的页面。

  1. 为了支持虚拟页式存储的实现，页表项有什么修改？

驻留位：表示是否在内存。 修改位：表示是否被修改过。 访问位：表示是否被访问过。 保护位：表示允许页面访问方式。

  1. 页式存储和虚拟页式存储的区别是什么？

作业全部进入辅存，运转时，并不把整个作业程序一起都装入到内存，只装入目前要用的若干页。 运行过程中，虚拟地址被转换成（页号，页内偏移）。 根据页号查页表，如果该页不在内存中，就没有具体的块号与之对应，表明“缺页”，运行无法继续，此时，要根据页号把它从辅存中调入内存。

8.6 缺页异常

  1. 缺页异常的处理流程？

指令执行中的页表项引用； 由于页面不在内存，导致缺页异常； 在外存中查找需要访问的页面备份； 页面换入； 页表项修改； 重新执行导致缺页异常的指令；

  1. 虚拟页式存储管理中有效存储访问时间是如何计算的？

EAT = 访存时间 * (1-p) + 缺页异常处理时间 * 缺页率p

个人思考题

内存访问局部性的应用程序例子

(1)(w4l2)下面是一个体现内存访问局部性好的简单应用程序例子，请参考，在linux中写一个简单应用程序，体现内存局部性差，并给出其执行时间。

#include <stdio.h>
#define NUM 1024
#define COUNT 10
int A[NUM][NUM];
void main (void) {
  int i,j,k;
  for (k = 0; k<COUNT; k++)
  for (i = 0; i < NUM; i++)
  for (j = 0; j	 < NUM; j++)
      A[i][j] = i+j;
  printf("%d count computing over!\n",i*j*k);
}

可以用下的命令来编译和运行此程序：

gcc -O0 -o goodlocality goodlocality.c
time ./goodlocality

可以看到其执行时间。

小组思考题目

缺页异常嵌套

（1）缺页异常可用于虚拟内存管理中。如果在中断服务例程中进行缺页异常的处理时，再次出现缺页异常，这时计算机系统（软件或硬件）会如何处理？请给出你的合理设计和解释。

提示：https://en.wikipedia.org/wiki/Double_fault 和 https://en.wikipedia.org/wiki/Triple_fault

缺页异常次数计算

（2）如果80386机器的一条机器指令(指字长4个字节)，其功能是把一个32位字的数据装入寄存器，指令本身包含了要装入的字所在的32位地址。这个过程在OS合理处理情况下最多会引起几次缺页异常？

提示：内存中的指令和数据的地址需要考虑地址对齐和不对齐两种情况。需要考虑页目录表项invalid、页表项invalid、TLB缺失等是否会产生异常？

虚拟页式存储的地址转换

（3）(spoc) 有一台假想的计算机，页大小（page size）为32 Bytes，支持8KB的虚拟地址空间（virtual address space）,有4KB的物理内存空间（physical memory），采用二级页表，一个页目录项（page directory entry ，PDE）大小为1 Byte,一个页表项（page-table entries PTEs）大小为1 Byte，1个页目录表大小为32 Bytes，1个页表大小为32 Bytes。页目录基址寄存器（page directory base register，PDBR）保存了页目录表的物理地址（按页对齐）。

PTE格式（8 bit） :

  VALID | PFN6 ... PFN0

PDE格式（8 bit） :

  VALID | PT6 ... PT0

其

VALID==1表示，表示映射存在；VALID==0表示，表示内存映射不存在（有两种情况：a.对应的物理页帧swap out在硬盘上；b.既没有在内存中，页没有在硬盘上，这时页帧号为0x7F）。
PFN6..0:页帧号或外存中的后备页号
PT6..0:页表的物理基址>>5

已经建立好了1个页目录表和8个页表，且页目录表的index为0~7的页目录项分别对应了这8个页表。

在物理内存模拟数据文件中，给出了4KB物理内存空间和4KBdisk空间的值，PDBR的值。

请手工计算后回答下列虚地址是否有合法对应的物理内存，请给出对应的pde index, pde contents, pte index, pte contents，the value of addr in phy page OR disk sector。

1) Virtual Address 6653:
2) Virtual Address 1c13:
3) Virtual Address 6890:
4) Virtual Address 0af6:
5) Virtual Address 1e6f:

请写出一个translation程序（可基于python、ruby、C、C++、LISP、JavaScript等），输入是一个虚拟地址，依据物理内存模拟数据文件自动计算出对应的pde index, pde contents, pte index, pte contents，the value of addr in phy page OR disk sector。

提示:

页大小（page size）为32 Bytes(2^5)
页表项1B

8KB的虚拟地址空间(2^13)
一级页表：2^5
PDBR content: 0xd80（1101_100 0_0000, page 0x6c）

page 6c: e1(1110 0001) b5(1011 0101) a1(1010 0001) c1(1100 0001)
         b3(1011 0011) e4(1110 0100) a6(1010 0110) bd(1011 1101)
二级页表：2^5
页内偏移：2^5

4KB的物理内存空间（physical memory）(2^12)
物理帧号：2^7

Virtual Address 0330(0 00000 11001 1_0000):
  --> pde index:0x0(00000)  pde contents:(0xe1, 11100001, valid 1, pfn 0x61(page 0x61))
  page 6c: e1 b5 a1 c1 b3 e4 a6 bd 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f
           7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f
  page 61: 7c 7f 7f 4e 4a 7f 3b 5a 2a be 7f 6d 7f 66 7f a7
           69 96 7f c8 3a 7f a5 83 07 e3 7f 37 62 30 7f 3f
    --> pte index:0x19(11001)  pte contents:(0xe3, 1 110_0011, valid 1, pfn 0x63)
  page 63: 16 00 0d 15 00 1c 1d 16 02 02 0b 00 0a 00 1e 19
           02 1b 06 06 14 1d 03 00 0b 00 12 1a 05 03 0a 1d
      --> To Physical Address 0xc70(110001110000, 0xc70) --> Value: 02

Virtual Address 1e6f(0 001_11 10_011 0_1111):
  --> pde index:0x7(00111)  pde contents:(0xbd, 10111101, valid 1, pfn 0x3d)
  page 6c: e1 b5 a1 c1 b3 e4 a6 bd 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f
           7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f 7f
  page 3d: f6 7f 5d 4d 7f 04 29 7f 1e 7f ef 51 0c 1c 7f 7f
           7f 76 d1 16 7f 17 ab 55 9a 65 ba 7f 7f 0b 7f 7f
    --> pte index:0x13  pte contents:(0x16, valid 0, pfn 0x16)
  disk 16: 00 0a 15 1a 03 00 09 13 1c 0a 18 03 13 07 17 1c
           0d 15 0a 1a 0c 12 1e 11 0e 02 1d 10 15 14 07 13
      --> To Disk Sector Address 0x2cf(0001011001111) --> Value: 1c

扩展思考题

(1)请分析原理课的缺页异常的处理流程与lab3中的缺页异常的处理流程（分析粒度到函数级别）的异同之处。

(2)在X86-32虚拟页式存储系统中，假定第一级页表的起始地址是0xE8A3 B000，进程地址空间只有第一级页表的4KB在内存。请问这4KB的虚拟地址是多少？它对应的第一级页表项和第二级页表项的物理地址是多少？页表项的内容是什么？

v9-cpu相关

[challenge]在v9-cpu上，设定物理内存为64MB。在os.c,os2.c,os4.c,os5的基础上实现os6.c，可体现基本虚拟内存管理机制，内核空间的映射关系： kernel_virt_addr=0xc00000000+phy_addr，内核空间大小为64MB，虚拟空间范围为0xc0000000--x0xc4000000, 物理空间范围为0x00000000--x0x04000000；用户空间的映射关系：user_virt_addr=0x40000000+usr_phy_addr，用户空间可用大小为2MB，虚拟空间范围为0x40000000--0x40200000，物理空间范围为0x02000000--x0x02200000，但只建立低地址的1MB的用户空间页表映射。可参考v9-cpu git repo的testing分支中的os.c和mem.h。修改代码为os5.c

  • (1)在建立页表后，进入用户态，能够在用户态访问基于用户空间的映射关系
  • (2)在用户态和内核态产生各种也访问的错误，并能够通过中断服务例程进行信息提示
  • (3)内核通过中断服务例程在感知到用户态访问高地址的空间，且没有超过0x40200000时，内核动态建立页表，确保用户态程序可以正确运行

如果一个用户态进程访问一个合法用户地址，产生内存访问异常后，v9-cpu会把产生异常的pc存在哪里？中断服务例程应该如何设计，可以返回到用户态产生错误的地址再次执行?