SWAP挑战性任务

SWAP挑战性任务实现报告

任务内容

任务使用swap_disk挂载至MOS作为swap时存储磁盘。

PIIX4的介绍：MOS基于Malta开发板，而其所使用板载的PIIX4芯片组支持IDE等设备并有两个独立的IDE通道。
一个IDE通道连一个IDE控制器，一个控制器连两个IDE设备，则MOS的PIIX4支持4块IDE设备。
两个IDE控制器偏移地址为：1.主控制器块偏移:0x1F0；2.从控制器块偏移:0x170(这些都基于PIIX4的PCIIO基地址0x18000000，即实验中定义的MALTA_PCIIO_BASE)
具体读写操作参考原有实现
为避免与文件系统使用的主IDE控制器冲突，可在内核态使用从IDE控制器读写磁盘，用于存储交换页面。
可修改Makefile文件中定义的QEMU_FLAGS变量来挂载多块磁盘。即多加一条：$(shell [ -f '$(swap_disk)' ] && echo '-drive id=swap,file=$(swap_disk),if=ide,format=raw') \。
0、1号IDE磁盘由主控制器使用，2号由从控制器使用(注意此处两个控制器偏移量不尽相同)，swap_disk文件的创建参考empty_disk。

新增数据结构

1. 在page结构体增加如下内容：

• PG_reference：访问标志位，表示最近页面被访问过。
• list：页表项链表，存放所有映射page对应物理页的页表项。

2. 内核空间新增：

• active_list：存放访问频繁的page
• inactive_list：存放访问不频繁的page
• page_swapblock_map：存放换出物理页向swap_disk中磁盘块的映射关系
• page_state_set：存放换出物理页page中状态。

新增操作

schedule刷新TLB

由于并不存在访问标志位，因此要在每次schedule时刷新对应进程的所有TLB，借助TLB重填检测页面的访问。

TLB重填逻辑

触发TLB重填时，若存在映射关系，则将对应物理页page执行如下操作：
检查page的PG_referenced标志位：

• 若false且不在active_list和inactive_list中：置true并将page加入inactive_list尾部。
• 若false且在inactive_list：将page移动到active_list尾部，置true。
• 若false且在active_list：置true
• 若true且在inactive_list：移动到active_list尾部。

维护Page状态

主要维护新增的list字段：

• 页面被分配或映射时，添加相应页表项指针ptr到list中
• 页面取消映射时，移除对应页表项

实现swap_out

当syscall_mem_alloc中page_alloc尝试分配页面但无空闲页时触发：

1. 使用algo算法选取一个非空闲物理页page
2. 遍历page中的list链表，修改页表项内容标记为其为换出页面便于后续访问触发缺页中断
3. 将page结构体状态保存至page_state_set，并初始化page
4. 在swap_disk中找空闲磁盘块，并向其写入page物理页中的内容，标记为非空闲(位图)
5. 将page作为page_alloc结果并执行后续流程

实现swap_in

若用户访问虚地址触发缺页中断且中断页page为换出页面时触发：

1. 利用page_swapblock_map查询磁盘中非空闲块与换出页映射关系，找到page对应的磁盘块，读出内容，标记为空闲
2. 尝试找一页空闲物理页Page(无则使用swap_out获得)，将读取到的内容拷贝到Page
3. 利用page_state_set将此前保留的结构体状态恢复至Page
4. 遍历恢复后的list，所有页表项修改为映射Page对应物理页的正常映射关系，并将list移动到Page结构体中(?)
5. 执行缺页异常

algo替换算法

1. 若inactive_list非空，遍历inactive_list中到的page
2. 若page的PG_...为false，结束算法返回page
3. 若为true，置false
4. 若inactive_list空，执行shrink_active_list，并重复执行第一步

shrink_active_list

1. 遍历active_list的page
2. 若page的PG_...为true，置false
3. 否则，将page加入inactive_list

定期更新inactive_list

每隔一段时间 ，执行一次shrink_active_list