实验三：虚实地址转换

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2023-12-01

实验三：虚实地址转换

实验之前

阅读实验指导三，可以结合 lab-3 分支的代码来理解。
本次的实验题将使用 lab-3+ 分支，它包含了后面章节的内容，而我们不需要管那些部分。

实验题

原理：在 os/src/entry.asm 中，boot_page_table 的意义是什么？当跳转执行 rust_main 时，不考虑缓存，硬件通过哪些地址找到了 rust_main 的第一条指令？
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1. boot_page_table 是一个用二进制表示的根页表，其中包含两个 1GB 大页，分别是将虚拟地址 0x8000_0000 至 0xc000_0000 映射到物理地址 0x8000_0000 至 0xc000_0000，以及将虚拟地址 0xffff_ffff_8000_0000 至 0xffff_ffff_c000_0000 映射到物理地址 0x8000_0000 至 0xc000_0000。
  由于我们在 linker.ld 中指定了起始地址为 0xffff_ffff_8020_0000，操作系统执行文件会认为所有的符号都是在这个高地址上的。但是我们在硬件上只能将内核加载到 0x8020_0000 开始的内存空间上，此时的 pc 也会调转到这里。
  为了让程序能够正确跳转至高地址的 rust_main，我们需要在 entry.asm 中先应用内核重映射，即将高地址映射到低地址。但我们不可能在替换页表的同时修改 pc，此时 pc 仍然处于低地址。所以，页表中的另一项（低地址的恒等映射）则保证程序替换页表后的短暂时间内，pc 仍然可以顺着低地址去执行内存中的指令。
  注：如果 boot_page_table 中不包含低地址恒等映射，程序可能仍然可以正常运行。这可能和硬件的缓存设计有关。但保险起见，应当保留这两个映射。
2. 执行 jal rust_main 时，硬件需要加载 rust_main 对应的地址，大概是 0xffff_ffff_802x_xxxx。
  - 页表已经启用，硬件先从 satp 高位置读取内存映射模式，再从 satp 低位置读取根页表页号，即 boot_page_table 的物理页号
  - 对于 Sv39 模式，页号有三级共 27 位。对于 rust_main 而言，一级页号是其 [30:38] 位，即 510。硬件此时定位到根页表的第 510 项
  - 这一项的标志为 XWR，说明它指向一个大页而不是指向下一级页表；目标的页号为 0x8_0000，即物理地址 0x8000_0000 开始的区间；这一项的 V 位为 1，说明目标在内存中。因此，硬件寻址到页基址 + 页内偏移，即 0x8000_0000 + 0x2x_xxxx，找到 rust_main
分析：为什么 Mapping 中的 page_tables 和 mapped_pairs 都保存了一些 FrameTracker？二者有何不同？
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页表也是需要我们去分配页面来存储的。因此，page_tables 存放了所有页表所用到的页面，而 mapped_pairs 则存放了进程所用到的页面。
分析：假设某进程需要虚拟地址 A 到物理地址 B 的映射，这需要操作系统来完成。那么操作系统在建立映射时有没有访问 B？如果有，它是怎么在还没有映射的情况下访问 B 的呢？
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建立映射不需要访问 B，而只需要操作页表即可。不过，通常程序都会需要操作系统建立映射的同时向页面中加载一些数据。此时，尽管 A→B 的映射尚不存在，因为我们将整个可用物理内存都建立了内核映射，所以操作系统仍然可以通过线性偏移量来访问到 B。
实验：了解并实现时钟页面置换算法（或任何你感兴趣的算法），可以自行设计样例来比较性能
- 置换算法只需要修改 os/src/memory/mapping/swapper.rs
- 在 main.rs 中调用 create_kernel_thread 来创建线程，你可以任意修改其中运行的函数，以达到测试效果