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6.828 Lab2 part 1

Ex1:physical page management in JOS.
Ans:這題要求完成在 JOS 中對 physical pages 的管理，第一個要完成的是 bootstrap 時一開始所需要的 boot_alloc()。首先，從 Lab1 我們可以知道進入 kernel 後，physical memory 的使用狀況如下（但在entry.S中只先將[0, 4MB）對映到[KERNBASE, KERBASE+4MB),所以boot_alloc()能直接以指標存取的記憶體會受限在這個範圍）：
boot_alloc()的記憶體會在後續持續被使用，但此時尚未完成 virtual memory 的設定，所以我們在 boot_alloc()必須以 page 的大小作為單位來使用，這樣才能在後續管理 page frame 時將 boot_alloc()過的記憶體正確標注狀態。實作如下：
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static void *
boot_alloc(uint32_t n)
{
    static char *nextfree = 0;  // virtual address of next byte of free memory
    static size_t used_npages = 0;
    static size_t want_npages = 0;
    char *result = NULL;
    // this is defined by linker script, kern.ld, 
    // the very beginning virtual address of kernel image
    extern char btext[];
    extern char end[];

    // 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) {
        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.

    // calculate how much memory callers want in page unit.
    if (n) {
        want_npages = (n/PGSIZE);
        if (n%PGSIZE) {
            want_npages = (n/PGSIZE) + 1;
        }
    } else {
        result = nextfree;
        goto done;
    }

    // npage is calculated in i386_detect_memory()
    if (want_npages > (npages - ROUNDUP((end - btext + 1), PGSIZE) - used_npages)) {
        panic("out of memory in boot_alloc\n");

    } else {
        result = nextfree;
        nextfree += PGSIZE*want_npages;
        used_npages += want_npages;
    }

done:
    return result;
}
接著是完成page_init()，這邊要完成對全域變數 pages[] 與 free_page_list 的設定。free_page_list會指向目前可用的free pages的頭。由於boot_alloc()已使用了部份free memory，所以在串free_page_list時要將那些記憶體跳過。如下：
實作如下：
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void
page_init(void)
{
    // The example code here marks all physical pages as free.
    // However this is not truly the case.  What memory is free?
    //  1) Mark physical page 0 as in use.
    //     This way we preserve the real-mode IDT and BIOS structures
    //     in case we ever need them.  (Currently we don't, but...)
    //  2) The rest of base memory, [PGSIZE, npages_basemem * PGSIZE)
    //     is free.
    //  3) Then comes the IO hole [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM), which must
    //     never be allocated.
    //  4) Then extended memory [EXTPHYSMEM, ...).
    //     Some of it is in use, some is free. Where is the kernel
    //     in physical memory?  Which pages are already in use for
    //     page tables and other data structures?
    //
    // Change the code to reflect this.
    // NB: DO NOT actually touch the physical memory corresponding to
    // free pages!
    size_t next_free_pgnum = PGNUM(PADDR(boot_alloc(0)));
    size_t i;

    for (i = 0; i < (npages-1); i++) {
        pages[i].pp_ref = 0;
        pages[i].pp_link = &pages[i+1];
        pages[i].pp_reserved = 0;
    }
    pages[i].pp_ref = 0;
    pages[i].pp_link = NULL;
    pages[i].pp_reserved = 0;

    // page 0 is for real mode IDT and BIOS structure
    pages[0].pp_ref = 1;
    pages[0].pp_link = NULL;
    pages[0].pp_reserved = 1;

    // page_free_list points to page 1
    page_free_list = &pages[1];

    // free pages do not include [IOPHYSMEM, nextfree)

    pages[PGNUM(IOPHYSMEM) - 1].pp_link = &pages[next_free_pgnum];

    // pages in [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM) are reserved for BIOS
    for (i = PGNUM(IOPHYSMEM);i < next_free_pgnum;++i) {
        pages[i].pp_ref = 1;
        pages[i].pp_link = NULL;
        pages[i].pp_reserved = 1;
    }
}

接下來的page_alloc()與page_free()就先以最簡單的first-fit ＆ simple free list來處裡配置策略。如下：

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//
// Allocates a physical page.  If (alloc_flags & ALLOC_ZERO), fills the entire
// returned physical page with '\0' bytes.  Does NOT increment the reference
// count of the page - the caller must do these if necessary (either explicitly
// or via page_insert).
//
// Returns NULL if out of free memory.
//
// Hint: use page2kva and memset
struct Page *
page_alloc(int alloc_flags)
{
    // Fill this function in
    struct Page *p = NULL;

    if (!page_free_list) {
        return NULL;
    }

    p = page_free_list;
    page_free_list = p->pp_link;
    p->pp_link = NULL;

    if (alloc_flags & ALLOC_ZERO) {
        memset ((void *)KADDR(page2pa(p)), 0, PGSIZE);
    }

    return p;
}

//
// Return a page to the free list.
// (This function should only be called when pp->pp_ref reaches 0.)
//
void
page_free(struct Page *pp)
{
    // Fill this function in

    if (!pp) { return; }

    if (PGNUM(page2pa(pp)) >= npages) {
        return;
    }

    pp->pp_link = page_free_list;
    page_free_list = pp;
}
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