操作系统课程设计-内存管理

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1、作者：李晓琳7刘泽民3三、实现系统调用与内存管理设计目标：实现fork，exec，exit与join系统调用。实现Nachos中用户程序的装入和内存页式转换机制，实现多道程序驻留内存实现带有TLB机制的的内存管理机制。设计背景：在nachos中，Thread类是来模拟一个线程的。在Thread类中，模拟了一个系统栈，并且在这个栈中保存系统寄存器的值。这里所说的系是指nachos运行的环境，对我们来说，就是所在的Linux系统。因为nachos要模拟线程的切换，因此必须要有能保存真实机器的CPU中的寄存器内容的地方。这就是说

2、nachos自己实现了一个线程库。在一个线程刚创建时，其处在JUST_CREATE状态，并且未分配系统栈。Thread类中，还有一个很重要的函数是fork，这个函数接收一个函数指针作为参数。在这个函数中，nachos会初始化这个线程的系统栈空间，并且会把所传入的函数的首址放在栈顶，这样，当这个线程被第一次运行的时候，就会从传入的这个函数处开始运行。在线程还维护了一个AddrSpace类型的指针。当调用exec时，就会从文件中装载并初始化进程的用户空间。在nachos上，可执行文件是noff格式的。这种格式的文件中，包括一个

3、文本段与三个数据段，并且在文件头中记录了其在虚拟空间的起始位置、在文件中的起始位置，以及大小，这样可以分别来初始化其用户空间的代码段、初始化数据段与未初始化数据段。这时候可以认为这个线程已经变成了一个进程。在nachos中，对机器原模拟是在machine类中。在这个类中，用两个整型数组分别来模拟寄存器与内存。在machine中，有一个Run函数，这个是用来模拟机器的运行的。这个函数是一个死循环，在每一次循环的时候，首先从用户空间中取一条指令，然后在一个大的switch语句中解释执行指令。在userpro目录下，有一个sys

4、tem.h的头文件，在这个头文件中，声明了与系统调用有关的函数头。对于test下的测试程序，就可以通过调用这个头文件中声明的函数来实现系统调用。在用户程序被编译完成后，在函数调用的时候，首先会把参数放到r4-r7这几个寄存器中去，然后会把相应的系统调用编译成下而的指令：addiu$2,$0,SC_Haltsyscallj$31.endHalt即首先是把系统调用的类型放入r2，然后再执行系统调用指令。在nachos内部，是用RaiseException来模拟系统调用的，这个函数会调用ExceptionHandle，依靠分支来

5、处理各种系统调用。设计分析：制约Nachos实现多用户程序的根本原因在于Nachos在建立用户程序的时候，令虚拟地址和物理地址一一映射。每当一个新的用户程序建立的时候，虚拟地址和物理地址都是从0开始分配，这样新的用户程序将会冲掉原来在物理0开始的旧用户程序，发生错误。克服此种缺陷的方法之一是使用位示图分配物理地址。在做虚存和物理地址的映射时，使用bitmap的find函数分配虚存对应的物理地址，但是如此使用bitmap之后，当处理虚地址到内存的映射的时候，就又不得不改用一个一个segment地读取，那么如果采用codese

6、gment和datasegment连续地在物理地址中存放，那么在读取code和data的时候必须首先判断是否是从一个segment0端开始，如果是，万事大吉，如果不是，那么以后每次都要分两次读一个segment，控制逻辑十分复杂，找data的初始位置的时候也很混乱。所以采取如下方案：保留一部分内存碎片，code和data存放的时候都始终从一个segment的0开始，如果最后一部分不满一个segment，算为一个segment，剩余部分为碎片。实现Nachos系统调用fork，exec，exit与join实现Nachos的系

7、统调用的时候，程序的执行采用的是异常中断的方法，接住异常的类在userprog/exception.cc，必须在此类中添加处理fork，exec，exit与join的方法。关键代码及注释：用户程序入口,用户空间：voidStartProcess(_intfn){char*filename=(char*)fn;OpenFile*executable=fileSystem->Open(filename);AddrSpace*space;if(executable==NULL){printf("Unabletoopenfile%

8、s",filename);return;}space=newAddrSpace(executable,filename);currentThread->space=space;deleteexecutable;//closefilePTEntry*newEntry=newPTEntry();newE