Lab 006 · 物理内存管理

这个 lab 配套 006 · 物理内存管理。目标:用一张位图把 E820 变成可分配的 4KB 物理页,实现 alloc_page/free_page,并在 QEMU 内核测试里验它。位图怎么布局、E820 怎么 carve、链接器符号怎么取,都自己来,不给现成答案。

实验目标

• 写 _KB/_MB/_GB 字面量和对齐工具(align_up/down)。
• 实现位图分配器:一位一页(4KB),128KB 位图管 4GB;set/clear/test/find_first_free 原语。
• init:先全占用,再从 E820 type=1 区域 carve 可用页(滤低 1MB、页对齐),再保护内核和 bootloader 区。
• alloc_page(first-fit,0 表 OOM)/ free_page。
• QEMU 内核测试 test_pmm 验连续分配回收、计数、不重复分配、OOM。

前置条件

• 完成 Lab 005:内核有 kprintf、有 QEMU 内核测试框架、串口能输出。
• 理解 E820 内存图(BootInfo.mmap)、位图、链接器符号取值约定。

任务分解

分五块走。

第一块,字面量与工具。写 memory_literals.h 的 _KB/_MB/_GB/_TB(constexpr UDL)、mm_defines.h 的 align_up/align_down/is_aligned(位运算,要求 align 是 2 的幂)。这些是纯函数,可以顺手配 host 单测。

第二块,位图原语。s_bitmap[BITMAP_SIZE](128KB 静态数组)、set_bit/clear_bit/test_bit(除 8 得字节、模 8 得位)、find_first_free(先扫 !=0xFF 的字节再逐位找 0 bit,找不到返 -1)。

第三块,init。先把位图全置 0xFF(默认全占用);遍历 boot_info->mmap,只处理 type==1,滤掉低 1MB(LOW_MEMORY_BOUNDARY)、页对齐、mark_region_free;记 s_highest_page;再标内核区(kernel_phys_base + 内核大小)和 bootloader 区(0x0–0x10000)used。

第四块,alloc/free。alloc_page:find_first_free→置位→返回 page_idx*PAGE_SIZE,找不到返 0。free_page(phys):phys 为 0 直接忽略,否则算 page_idx、清位、计数。

第五块,内核测试。在 QEMU 测试里加 test_pmm:连续 alloc N 次核对 free_page_count 递减、free 后回升、两次 alloc 不重页、alloc 到 OOM 返 0。走 isa-debug-exit 退出。

接口约束

这些得自己保证对、lab 不给现成代码:

• 尺寸:PAGE_SIZE=4_KB、MAX_MEMORY=4_GB、MAX_PAGES=1M、BITMAP_SIZE=128KB、LOW_MEMORY_BOUNDARY=1_MB。
• 链接器符号:extern char __kernel_size;,取值用 &__kernel_size(不是 __kernel_size,后者读到的是字节不是大小)。
• E820:type==1 才可用;区域可能横跨低 1MB 边界,要截断不是整段丢;起止要页对齐。
• alloc 返 0 = OOM(0 在 bootloader 区已占用,不会真分配);free_page(0) 忽略。
• mark_region_* 要把跨页的 length 换算成页数,注意 (phys+length+PAGE_SIZE-1)/PAGE_SIZE 的向上取整。

验证步骤

QEMU 内核测试(主):

cmake --build build --target run-kernel-test

test_pmm 的断言全过、退出码 0。

量产内核看统计:

cmake --build build --target run

串口依次出现 [MINI] PMM: kernel_phys=0x20000, kernel_size=0x... (... pages)、marking bootloader 0x0-0x10000 used、Total N pages (M MB), Free ... pages (... MB)。Free 应是几百 MB 量级(QEMU 给 512MB),kernel_size 要和 mini_kernel.bin 文件大小对得上。

常见故障

PMM 报的内核大小明显不对(几百字节或一个单字节值)。__kernel_size 没加 &,读到了地址处的字节。改成 &__kernel_size。

alloc 出来的页落在 1MB 以下、一用就崩。低 1MB 没滤,E820 报告的低区被标成了 free。补 LOW_MEMORY_BOUNDARY 截断逻辑。

Free 统计是 0 或负数。init 算错了——要么 E820 全被滤掉、要么 mark_region_free/计数有 off-by-one。对照 mini_kernel.bin 大小和 QEMU 内存(512MB)核 kernel_size 和 Total。

位图访问越界(page_idx ≥ MAX_PAGES)。E820 某区域超出 4GB,或没做 page < MAX_PAGES 越界检查。mark_region_* 和 free_page 都加边界判断。

两次 alloc 拿到同一页。alloc_page 置位后没更新位图,或 find_first_free 逻辑错。核 set_bit 是否真写了 s_bitmap。

OOM 判错(还能分却返 0,或分光了还返非 0)。find_first_free 的扫描终止条件或 s_free_pages 计数不同步。单步看位图和计数。

通过标准

• run-kernel-test 里 test_pmm 全过、退出码 0。
• 量产 make run 串口出现 PMM 三行统计,Free 是合理正值,kernel_size 对得上 mini_kernel.bin。
• 全程没碰中断/IDT/PIC——那是 Lab 007;也没碰虚拟内存——VMM 是后面。