专利名称：硬件化的进程内存管理核的方法
技术领域：
本发明涉及硬件化的操作系统设计，更具体的说，是涉及一种硬件化的进 程内存管理核的方法。
背景技术：
随着计算机应用在人们生活中普及，依靠计算机进行自动化的管理，控制， 计算和服务处理变得越来越重要。特别在金融，工业，控制等领域，除了需要 保证计算机可靠与安全，对处理速度，响应时间高效性的需求也显得非常重要。同时由于互联网的飞速发展，大型服务器和某些专门用于实时任务处理的 机器需要服务的响应和请求的处理有非常高的速度。但是，软件的使用限制了 速度的进一步提升。作为软件管理者的操作系统也实际上成为了速度提升的瓶颈。因此出现了许多针对原有操作系统的改进版本，Linux2.4版本里时钟的最 小粒度为IO毫秒，而Linux2.6将时钟粒度降低到1毫秒，但这还远达不到实 时系统的要求。RTLimix通过将任务分解成实时部分和非实时部分，在原有操 作系统核的基础上进一步独立出实时核来专门处理和分发实时任务，提高了响 应速度，几乎可以达到了十几个微秒级的调度粒度。但是， 一味地提高时钟粒 度会使调度的开销增大，也就是说当时钟粒度小到某个极限时，系统的性能不 会因为时钟频率的增加而提高了。另外，软件技术的改进受到的硬件本身的制约，只有能够通过硬件本身的 改进来进行加速，才能取得好的效果。比如，在Intel公司每次对处理器的改进 上，都会加入一些新的指令针对特定的应用程序进行加速，比如在SSE4指令 集中过提供了一条新的计算CRC(Cyclic Redundancy Check)指令，因此数据的 集成检查可以更加迅速的完成。而且，软件存在于内存中，容易被恶意的代码 进行篡改，尽管安全防护技术层出不穷，但相比于实现同样功能的硬件单元， 软件的安全性就略显不足。因此，将操作系统中与调度性能直接相关的进程内存管理，包括页表创建，切换，页面映射等功能设计成硬件，可以消除软件处理时的瓶颈，同时能够进 一步减少由于时钟粒度的细化而带来的额外调度开销，提高整个系统的工作效 率。发明内容本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种涉及硬件化的进 程内存管理核的方法。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。 硬件化的进程内存管理核的方法，包括以下步骤(1) 进程页表的创建读入要创建页表的进程的进程号PID，在进程号与页表基地址转换表中找 到进程号所对应的表项，并将进程页表的基地址，即PIDf 1024写入该表项中；(2) 进程虚拟地址到硬件地址的映射根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚拟地 址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，检查表项中的合法位 是否置位，如果己经置位则操作失败，将用于指示操作是否成功的寄存器SUC赋值为O，表示操作失败；否则将物理地址的高10位填入该表项中并将表项中 的合法位置位，该合法位标识了该虚拟页已经被映射使用；(3) 进程虚拟地址到硬件地址的取消映射根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚拟地 址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，将表项中的合法位清 除，表示该虚拟页已经被释放；(4) 进程页表的切换首先将切换前运行的进程PID存储到用来记录上一个运行进程PID号寄存 器last_pid中，然后将输入的进程PID号赋给标志当前运行进程PID的寄存器 curr_pid;(5) 进程页表的删除读入要创建页表的进程的进程号PID，在进程号与页表基地址转换表中找到进程号所对应的表项，并将该表项清空，表明该进程的页表映射已经完全失效，同时要将实际页表中所有项的合法位清空；(6) 进程虚拟地址到物理地址的转换:将输入虚拟地址的前IO位作为索引，首先在TLB中进行查找，如果査找 到则直接返回物理地址；否则以currjid计算出当前进程页表的基地址，在该 页表中选择出对应的表项；然后检查该表项的合法位，如果该位为零则表明无 此虚拟地址，程序访问错误，置suc为0;否则将表项中存储的物理地址高10 位读出到PA寄存器中和TLB的对应项中；TLB的替换策略采用先进先出的替 换策略。作为一种改进，进程页表创建、删除、切换、虚拟地址映射、反映射以及 虚拟地址到物理地址的转换由硬件来完成，可降低进程切换时的开销，提高进 程切换时效率。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1) 高效性。本发明实现了在硬件化的进程内存管理核的方法，将内存管 理中的进程页表创建，删除，切换，虚拟地址映射，反映射以及虚拟地址到物 理地址的转换由硬件来完成，降低了进程切换时的开销，提高了进程切换时效 率。(2) 安全性。本发明中的硬件化的进程内存管理核的方法，将原本由软件 代码来实现的功能交付给硬件单元来完成，消除了操作系统的某一部分功能被 恶意篡改的可能性，保证了处理的完全正确性和可靠性。
图1是本发明的总体结构框架图。
具体实施方式
结合附图，通过具体实施例对本发明进一步说明。 首先解释一下用到的名词和一些技术设计所用到的前提 PID:进程号，4bit， 0号不用，因此最多可以表示15个进程PID一TO—PCB:进程号与页表基地址转换表SUC:输出信号中每一次操作的返回值，成功为l，失败为OVA:输入信号中的逻辑地址， 一共有22位，页面大小4Kbytes PA:输出信号中的物理地址， 一共有22位，页面大小4Kbytes last』id:上一个运行的或即将被切换走的进程号 CUrr_pid:当前运行的或即将运行的进程号TLB: Translation Look-aside Buffer，用来力口速页表查找一种硬件化的进程内存管理核的方法，包括以下步骤(1) 进程页表的创建 输入进程号PID输出SUC寄存器，操作成功返回l，失败返回O。 读入要创建页表的进程的进程号PID，在PID_TO_PCB表(进程号与页表基地址转换表)中找到进程号所对应的表项，并将进程页表的基地址，即PID * 1024写入该表项中。这里采用一级页表映射，每个页表的大小为4K Bytes，因此该页表可映射最多达8M Bytes的内存空间。(2) 进程虚拟地址到硬件地址的映射输入进程号PID，要映射的虚拟地址，要映射的物理地址输出SUC寄存器，操作成功返回l，失败返回O。根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚 拟地址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，检査表项中的合 法位是否置位，如果已经置位则操作失败，将suc赋值为0。否则将物理地址 的高10位填入该表项中并将表项中的合法位置位。该合法位标识了该虚拟页已 经被映射使用。(3) 进程虚拟地址到硬件地址的取消映射 输入进程号PID，要取消映射的虚拟地址 输出SUC寄存器，操作成功返回l，失败返回O。根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚 拟地址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，将表项中的合法位清除，表示该虚拟页已经被释放。(4) 进程页表的切换输入即将运行进程号PID输出SUC寄存器，操作成功返回l，失败返回O。 首先将切换前运行的进程PID存储到用来记录上一个运行进程PID 号寄存器last_pid中，然后将输入的进程PID号赋给标志当前运行进程PID的 寄存器Curr_pid。由于在进行虚拟地址到物理地址的转换时，页表的选择是根 据Curr_pid来进行计算饿，因此修改了 curr_pid的值也意味着页表的成功切换。(5) 进程页表的删除 输入进程号PID输出无读入要创建页表的进程的进程号PID，在进程号与页表基地址转换表中找 到进程号所对应的表项，并将该表项清空，表明该进程的页表映射己经完全失 效，同时要将实际页表中所有项的合法位清空。 (6)进程虚拟地址到物理地址的转换 输入虚拟地址VA输出物理地址PA， SUC寄存器，操作成功返回l，失败返回0。 将输入虚拟地址的前10位作为索引，首先在TLB中进行査找，如果查找 到则直接返回物理地址。否则以curr一j3id计算出当前进程页表的基地址，在该 页表中选择出对应的表项。然后检査该表项的合法位，如果该位为零则表明无 此虚拟地址，程序访问错误，置suc为0。否则将表项中存储的物理地址高10 位读出到PA寄存器中和TLB的对应项中。TLB的替换策略采用先进先出的替 换策略。本发明所述的是一种硬件化的进程内存管理核的方法，提出了操作系统软 件功能硬件化的思想。主要方法是将内存管理中进程页表创建，删除，切换， 虚拟地址映射，反映射以及虚拟地址到物理地址的转换的功能交付给硬件来完 成，降低了调度时进程切换时的开销，提高了进程切换时效率。本发明的思想 可以利用在操作系统的其他部件中。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然， 本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从 本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范 围。
权利要求
1、硬件化的进程内存管理核的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)进程页表的创建读入要创建页表的进程的进程号PID，在进程号与页表基地址转换表中找到进程号所对应的表项，并将进程页表的基地址，即PID*1024写入该表项中；(2)进程虚拟地址到硬件地址的映射根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚拟地址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，检查表项中的合法位是否置位，如果已经置位则操作失败，将用于指示操作是否成功的寄存器suc赋值为0，表示操作失败；否则将物理地址的高10位填入该表项中并将表项中的合法位置位，该合法位标识了该虚拟页已经被映射使用；(3)进程虚拟地址到硬件地址的取消映射根据输入的进程号PID，计算出该进程的页表基地址，利用输入的虚拟地址的高10位作为索引，找到页表中该虚拟地址对应的项，将表项中的合法位清除，表示该虚拟页已经被释放；(4)进程页表的切换首先将切换前运行的进程PID存储到用来记录上一个运行进程PID号寄存器last_pid中，然后将输入的进程PID号赋给标志当前运行进程PID的寄存器curr_pid；(5)进程页表的删除读入要创建页表的进程的进程号PID，在进程号与页表基地址转换表中找到进程号所对应的表项，并将该表项清空，表明该进程的页表映射已经完全失效，同时要将实际页表中所有项的合法位清空；(6)进程虚拟地址到物理地址的转换将输入虚拟地址的前10位作为索引，首先在TLB中进行查找，如果查找到则直接返回物理地址；否则以curr_pid计算出当前进程页表的基地址，在该页表中选择出对应的表项；然后检查该表项的合法位，如果该位为零则表明无此虚拟地址，程序访问错误，置suc为0；否则将表项中存储的物理地址高10位读出到PA寄存器中和TLB的对应项中；TLB的替换策略采用先进先出的替换策略。
2、 根据权利要求l所述的硬件化的进程内存管理核的方法，其特征在于，进程页表创建、删除、切换、虚拟地址映射、反映射以及虚拟地址到物理地址 的转换由硬件来完成。全文摘要
本发明涉及硬件化的操作系统设计，旨在提供一种硬件化的进程内存管理核的方法。该方法包括以下步骤(1)进程页表的创建；(2)进程虚拟地址到硬件地址的映射；(3)进程虚拟地址到硬件地址的取消映射；(4)进程页表的切换；(5)进程页表的删除；(6)进程虚拟地址到物理地址的转换。本发明所述的硬件化的进程内存管理核的方法，提出了操作系统软件功能硬件化的思想。主要方法是将内存管理中进程页表创建，删除，切换，虚拟地址映射，反映射以及虚拟地址到物理地址的转换的功能交付给硬件来完成，降低了调度时进程切换时的开销，提高了进程切换时效率。本发明的思想还可以利用在操作系统的其他部件中。
文档编号G06F9/46GK101315602SQ20081006234
公开日2008年12月3日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者严力科, 冯德贵, 楠 张, 罡 王, 章铁飞, 斌 谢, 剑 陈, 度 陈, 陈天洲, 项凌翔 申请人:浙江大学