lab2的实验手册带着我们学习操作系统是如何处理内存管理的。lab2将内存管理划分为 物理内存管理、页表管理、内核地址空间划分三个部分。

lab2的学习目标：重点学习内存管理的相关知识，包括内存布局、页表结构、页映射
lab2的学习任务：完成内存管理的相关代码

在lab2中，完全可以跟着实验手册的节奏走，逐步完善内存管理的代码。不过在根据注释补充各个函数的时候，大概率是懵逼的，需要自己多看几遍，总结

环境准备：

实验 2 包含以下新的源文件：

• inc/memlayout.h
• kern/pmap.c
• kern/pmap.h
• kern/kclock.h
• kern/kclock.c

memlayout.h 和 pmap.h 定义了 PageInfo 结构，用于跟踪哪些物理内存页是空闲的。
kclock.c 和 kclock.h 操作 PC 的电池时钟和 CMOS RAM 硬件，其中 BIOS 记录了 PC 所含的物理内存量等信息。
pmap.c 中的代码需要读取这些设备硬件，以计算出物理内存的容量，但这部分代码已经为你完成：你不需要了解 CMOS 硬件工作的细节。
请特别注意 memlayout.h 和 pmap.h，因为本实验要求您使用并理解其中包含的许多定义。您可能还需要查看 inc/mmu.h，因为其中包含的许多定义对本实验也很有用。

Part1：物理内存管理（练习1）

操作系统必须跟踪物理内存中哪些是空闲内存，哪些是当前正在使用的内存。JOS 以页面粒度管理 PC 的物理内存，这样它就可以使用 MMU 来映射和保护每一块已分配的内存。

现在你将编写物理页面分配器来实现物理内存管理。它通过 struct PageInfo 对象的链表来跟踪哪些页面是空闲的，每个对象对应一个物理页面。我们要做的就是通过 PageInfo链表，实现对物理内存的申请、释放。

练习 1. 在 kern/pmap.c 文件中，您必须实现以下函数的代码（可能按照给出的顺序）。
boot_alloc()
mem_init()（只调用到 check_page_free_list(1)）。
page_init()
page_alloc()
page_free()
check_page_free_list() 和 check_page_alloc() 对物理页面分配器进行测试。你应该启动 JOS 并查看 check_page_alloc() 是否报告成功。修改代码，使其通过测试。你可能会发现添加自己的 assert()s 来验证你的假设是否正确很有帮助。

为了逐步理解物理页面分配器的工作原理，我们就按照练习1的要求，逐个实现代码就好了，不过在那之前，我们来看一下lab1 最后的物理内存的情况和虚拟地址空间的映射情况：

boot_alloc

只在初始化时使用，用来确定申请n子节内存后后，空闲内存的首地址（虚拟内存空间）是多少。
为了让JOS能够追踪空闲内存的首地址究竟是多少，这里使用一个全局变量 nextfree 来记录.

static void *
boot_alloc(uint32_t n)
{
	static char *nextfree;	// virtual address of next byte of free memory
	char *result;

	// nextfree 一开始的值应该是多少？当然是kernel.ld中的标号end所指的位置，即内核加载进内存后的尾部
	if (!nextfree) {
		extern char end[]; 
		nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);
	}

	// 分配一块足够放下n个字节的地址块，然后将这个地址块的地址返回。
	// 注意地址块必须按照 PGSIZE 对齐
	result = nextfree;
	// 更新nextfree
	nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);

	return result;
}

完事了之后，按照 练习1 的指引，我们看一眼 mem_init

mem_init

mem_init 是用来初始化内存管理的函数。物存管理的部分在前面被处理，大致工作流程为：

1. 获取硬件信息，内存有多大，i386_detect_memory();
2. 初始化页目录 kern_pgdir
3. 初始化pages数组

// Set up a two-level page table:
//    kern_pgdir is its linear (virtual) address of the root
//
// This function only sets up the kernel part of the address space
// (ie. addresses >= UTOP).  The user part of the address space
// will be set up later.
//
// From UTOP to ULIM, the user is allowed to read but not write.
// Above ULIM the user cannot read or write.
void
mem_init(void)
{
	uint32_t cr0;
	size_t n;

	// Find out how much memory the machine has (npages & npages_basemem).
	i386_detect_memory();

	// Remove this line when you're ready to test this function.
	// panic("mem_init: This function is not finishedn");

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// create initial page directory.
	kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);
	memset(kern_pgdir, 0, PGSIZE);

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Recursively insert PD in itself as a page table, to form
	// a virtual page table at virtual address UVPT.
	// (For now, you don't have understand the greater purpose of the
	// following line.)

	// Permissions: kernel R, user R
	kern_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(kern_pgdir) | PTE_U | PTE_P;

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// 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.
	// Your code goes here:
	pages =(struct PageInfo *) boot_alloc(sizeof(struct PageInfo)*npages);
	memset(pages, 0, sizeof(struct PageInfo) * npages);

	//////////////////////////////////////////////////////////////////////
	// Now that we've allocated the initial kernel data structures, we set
	// up the list of free physical pages. Once we've done so, all further
	// memory management will go through the page_* functions. In
	// particular, we can now map memory using boot_map_region
	// or page_insert
	page_init();

	check_page_free_list(1);
	check_page_alloc();
	check_page();
	//....
}

在完成了 mem_init刀 page_init 之前的代码后，整理一下目前的物理内存和 虚拟地址空间的映射情况：

目前我们对 PageInfo 的了解还不足够，在研究page_init之前，有必要学习下 struct PageInfo 的具体细节。

struct PageInfo

先来看看 PageInfo 这个结构体，这个注释真棒。

/*
 * 页面描述符结构，映射到 UPAGES。
 * 内核可读写，用户程序只读。
 *
 * 每个结构 PageInfo 保存一个物理页面的元数据。
 *  它不是物理页面本身，但物理页面和结构 PageInfo 之间有一一对应的关系。
 * 您可以使用 kern/pmap.h 中的 page2pa() 将结构 PageInfo * 映射到相应的物理地址。
 */
struct PageInfo {
	//空闲列表中的下一页。
	struct PageInfo *pp_link;

	// pp_ref 是指向此页的指针（通常是页表条目）的计数。
	// 对于使用 page_alloc 分配的页面，pp_ref 是指向该页面的指针计数（通常在页表项中）。
	// 在启动时使用 pmap.c 的boot_alloc 分配的页面没有有效的引用计数字段。

	uint16_t pp_ref;
}

如注释所述， PageInfo 和物理内存是一一对应的，一个PageInfo 对应一页物理内存（4KB)，可以从 page2pa 这个映射函数中看出来

对于一个物理地址 pa ，将其右移 12 位，然后就可以作为 pages 数组的下标了。
也就是说 :
pages[0] 对应 pa 0x0000_0000 到 0x0000_1000
pages[1] 对应 pa 0x0000_1000 到 0x0000_2000

pmap.h 中还有很多好用的函数和宏，除了这个 pa2page 还有 PADDR、KADDR等，可以先看一看，理解下。

理解了 struct PageInfo 的结构和映射方法，可以来看 page_init 了。

page_init

page_init 初始化了 pages 数组，注释给的相当详尽了。按照上面mem_init总结的图写，可以参照 lab1笔记 中的内存布局和 memlayout.h 中关于 IOPHYSMEM、EXTPHYSMEM 的定义写。

//  初始化页面结构和内存空闲列表。
// 完成后，永远不要再使用 boot_alloc。 只使用下面的页面分配器函数来分配和取消分配物理内存。
// 通过 page_free_list 分配和删除物理内存。
//
void
page_init(void)
{
	// 这里的示例代码将所有物理页面标记为空闲。
	// 但实际情况并非如此。 哪些内存是空闲的？
	//  1) 将物理页 0 标记为使用中。
	//     这样，我们就可以保留实际模式 IDT 和 BIOS 结构，以备不时之需。 (目前还不需要，但是......）。
	//     
	//  2) 其余的基本内存 [PGSIZE, npages_basemem * PGSIZE)是空闲的。
	//     
	//  3) 然后是 IO 孔 [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)，它必须永远不会被分配。
	//     
	//  4) 然后是扩展内存 [EXTPHYSMEM, ...)  其中一些在使用中，一些是空闲的。
	//     内核在物理内存的哪里？哪些物理页已经用于页表和其他数据结构？
	//     
	// 修改代码以反映这一点。
	// 注意：切勿实际触及与空闲页面对应的物理内存！
	// 
	size_t i;
	//物理页 0 标记为使用中
	pages[0].pp_ref = 1;

	for(int i = 1; i

page_alloc

从pageinfo 空闲链表中摘下一个，并返回，细节见注释：

//
// 分配一个物理页面。 如果（alloc_flags & ALLOC_ZERO），则用“