Lab 2 实验报告

Thinking 2.1

请根据上述说明，回答问题：在编写的 C 程序中，指针变量中存储的地址是虚拟地址，还是物理地址？MIPS 汇编程序中 lw 和 sw 使用的是虚拟地址，还是物理地址？

都是虚拟地址

Thinking 2.2

请思考下述两个问题：
从可重用性的角度，阐述用宏来实现链表的好处。
查看实验环境中的 /usr/include/sys/queue.h，了解其中单向链表与循环链表的实现，比较它们与本实验中使用的双向链表，分析三者在插入与删除操作上的性能差异。

使用宏实现函数，可以应用于不同的数据类型，减少冗余代码的出现

在插入、删除操作上，三者都是 $O(1)$ 复杂度

Thinking 2.3

Thinking 2.4

请思考下面两个问题：
请阅读上面有关 R3000-TLB 的描述，从虚拟内存的实现角度，阐述 ASID 的必要性。
请阅读《IDT R30xx Family Software Reference Manual》的 Chapter 6，结合 ASID 段的位数，说明 R3000 中可容纳不同的地址空间的最大数量。

ASID 是为了解决多进程共享统一物理内存时，由于虚拟地址相同而导致的 TLB 冲突问题。ASID 可以为每一个进程分配唯一的标识符，这样在进程切换时，只需要切换 ASID 即可，不需要清空 TLB 中全部条目，从而提高了命中率与系统性能。

ASID 段为 6 位，说明可容纳不同地址空间的最大数量为 6

Thinking 2.5

请回答下述三个问题：
tlb_invalidate 和 tlb_out 的调用关系？
请用一句话概括 tlb_invalidate 的作用。
逐行解释 tlb_out 中的汇编代码。

tlb_invalidate 调用 tlb_out 以清除 TLB 中指定的条目。这些指令在改变页表时使用，以确保 TLB 中不会包含过时的映射

tlb_invalidate 是一个函数，用于使 TLB 失效。

LEAF(tlb_out)
.set noreorder
    /* save EntryHi */
    mfc0    t0, CP0_ENTRYHI
    /* load a0 to EntryHi */
    mtc0    a0, CP0_ENTRYHI
    nop
    /* Step 1: Use 'tlbp' to probe TLB entry */
    tlbp 
    nop
    /* Step 2: Fetch the probe result from CP0.Index */
    mfc0    t1, CP0_INDEX
    /* 设置指令重排 */
.set reorder
    /* jump to NO_SUCH_ENTRY if Index < 0 */
    bltz    t1, NO_SUCH_ENTRY
    /* 关闭指令重排 */
.set noreorder
    /* 清零 */
    mtc0    zero, CP0_ENTRYHI
    mtc0    zero, CP0_ENTRYLO0
    nop
    /* Step 3: Use 'tlbwi' to write CP0.EntryHi/Lo into TLB at CP0.Index  */
    tlbwi
    nop

Thinking 2.6

任选下述二者之一回答：
简单了解并叙述 X86 体系结构中的内存管理机制，比较 X86 和 MIPS 在内存管理上的区别。（√）
简单了解并叙述 RISC-V 中的内存管理机制，比较 RISC-V 与 MIPS 在内存管理上的区别。

X86 的内存管理机制通过分段和分页来实现。分段机制将内存分为多个段，每个段都有自己的基地址和长度，CPU使用段寄存器指定当前使用的段，并使用偏移量访问该段中的内存；分页机制用细粒度的单位页来管理线性地址空间和物理地址空间，线性地址被分为固定大小的页，物理内存被分为相同大小的页，每个页有一个唯一的物理地址，CPU使用页表将线性地址转换为物理地址。虚拟地址通过分段机制转换为线性地址，再通过分页机制转为物理地址。

MIPS 只使用分页式内存存储，可能无法实现分段管理的内存保护机制。

Thinking A.1

在现代的 64 位系统中，提供了 64 位的字长，但实际上不是 64 位页式存储系统。假设在 64 位系统中采用三级页表机制，页面大小 4KB。由于 64 位系统中字长为 8B，且页目录也占用一页，因此页目录中有 512 个页目录项，因此每级页表都需要 9 位。因此在 64 位系统下，总共需要 3 × 9 + 12 = 39 位就可以实现三级页表机制，并不需要 64 位。
现考虑上述 39 位的三级页式存储系统，虚拟地址空间为 512 GB，若三级页表的基地址为 PTbase，请计算：
三级页表页目录的基地址。
映射到页目录自身的页目录项（自映射）

映射到 PTbase 的页目录项在低 PTbase >> 12 个页表项处，故映射到 PTbase 的中间页表项地址为 PTbase + PTbase >> 9；故二级页目录基地址为 PTbase + (PTbase + PTbase >> 9) >>9；三级页目录基地址为 PTbase + PTbase >> 9 + PTbase >> 18 + PTbase >> 27

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