專利名稱：硬件化的進程內存管理核的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及硬件化的操作系統(tǒng)設計，更具體的說，是涉及一種硬件化的進 程內存管理核的方法。
背景技術：
隨著計算機應用在人們生活中普及，依靠計算機進行自動化的管理，控制， 計算和服務處理變得越來越重要。特別在金融，工業(yè)，控制等領域，除了需要 保證計算機可靠與安全，對處理速度，響應時間高效性的需求也顯得非常重要。同時由于互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，大型服務器和某些專門用于實時任務處理的 機器需要服務的響應和請求的處理有非常高的速度。但是，軟件的使用限制了 速度的進一步提升。作為軟件管理者的操作系統(tǒng)也實際上成為了速度提升的瓶頸。因此出現(xiàn)了許多針對原有操作系統(tǒng)的改進版本，Linux2.4版本里時鐘的最 小粒度為IO毫秒，而Linux2.6將時鐘粒度降低到1毫秒，但這還遠達不到實 時系統(tǒng)的要求。RTLimix通過將任務分解成實時部分和非實時部分，在原有操 作系統(tǒng)核的基礎上進一步獨立出實時核來專門處理和分發(fā)實時任務，提高了響 應速度，幾乎可以達到了十幾個微秒級的調度粒度。但是， 一味地提高時鐘粒 度會使調度的開銷增大，也就是說當時鐘粒度小到某個極限時，系統(tǒng)的性能不 會因為時鐘頻率的增加而提高了。另外，軟件技術的改進受到的硬件本身的制約，只有能夠通過硬件本身的 改進來進行加速，才能取得好的效果。比如，在Intel公司每次對處理器的改進 上，都會加入一些新的指令針對特定的應用程序進行加速，比如在SSE4指令 集中過提供了一條新的計算CRC(Cyclic Redundancy Check)指令，因此數(shù)據(jù)的 集成檢查可以更加迅速的完成。而且，軟件存在于內存中，容易被惡意的代碼 進行篡改，盡管安全防護技術層出不窮，但相比于實現(xiàn)同樣功能的硬件單元， 軟件的安全性就略顯不足。因此，將操作系統(tǒng)中與調度性能直接相關的進程內存管理，包括頁表創(chuàng)建，切換，頁面映射等功能設計成硬件，可以消除軟件處理時的瓶頸，同時能夠進 一步減少由于時鐘粒度的細化而帶來的額外調度開銷，提高整個系統(tǒng)的工作效 率。發(fā)明內容本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種涉及硬件化的進 程內存管理核的方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。 硬件化的進程內存管理核的方法，包括以下步驟(1) 進程頁表的創(chuàng)建讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在進程號與頁表基地址轉換表中找 到進程號所對應的表項，并將進程頁表的基地址，即PIDf 1024寫入該表項中；(2) 進程虛擬地址到硬件地址的映射根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛擬地 址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，檢查表項中的合法位 是否置位，如果己經(jīng)置位則操作失敗，將用于指示操作是否成功的寄存器SUC賦值為O，表示操作失敗；否則將物理地址的高10位填入該表項中并將表項中 的合法位置位，該合法位標識了該虛擬頁已經(jīng)被映射使用；(3) 進程虛擬地址到硬件地址的取消映射根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛擬地 址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，將表項中的合法位清 除，表示該虛擬頁已經(jīng)被釋放；(4) 進程頁表的切換首先將切換前運行的進程PID存儲到用來記錄上一個運行進程PID號寄存 器last_pid中，然后將輸入的進程PID號賦給標志當前運行進程PID的寄存器 curr_pid;(5) 進程頁表的刪除讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在進程號與頁表基地址轉換表中找到進程號所對應的表項，并將該表項清空，表明該進程的頁表映射已經(jīng)完全失效，同時要將實際頁表中所有項的合法位清空；(6) 進程虛擬地址到物理地址的轉換:將輸入虛擬地址的前IO位作為索引，首先在TLB中進行查找，如果査找 到則直接返回物理地址；否則以currjid計算出當前進程頁表的基地址，在該 頁表中選擇出對應的表項；然后檢查該表項的合法位，如果該位為零則表明無 此虛擬地址，程序訪問錯誤，置suc為0;否則將表項中存儲的物理地址高10 位讀出到PA寄存器中和TLB的對應項中；TLB的替換策略采用先進先出的替 換策略。作為一種改進，進程頁表創(chuàng)建、刪除、切換、虛擬地址映射、反映射以及 虛擬地址到物理地址的轉換由硬件來完成，可降低進程切換時的開銷，提高進 程切換時效率。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是(1) 高效性。本發(fā)明實現(xiàn)了在硬件化的進程內存管理核的方法，將內存管 理中的進程頁表創(chuàng)建，刪除，切換，虛擬地址映射，反映射以及虛擬地址到物 理地址的轉換由硬件來完成，降低了進程切換時的開銷，提高了進程切換時效 率。(2) 安全性。本發(fā)明中的硬件化的進程內存管理核的方法，將原本由軟件 代碼來實現(xiàn)的功能交付給硬件單元來完成，消除了操作系統(tǒng)的某一部分功能被 惡意篡改的可能性，保證了處理的完全正確性和可靠性。


圖1是本發(fā)明的總體結構框架圖。
具體實施方式
結合附圖，通過具體實施例對本發(fā)明進一步說明。 首先解釋一下用到的名詞和一些技術設計所用到的前提 PID:進程號，4bit， 0號不用，因此最多可以表示15個進程PID一TO—PCB:進程號與頁表基地址轉換表SUC:輸出信號中每一次操作的返回值，成功為l，失敗為OVA:輸入信號中的邏輯地址， 一共有22位，頁面大小4Kbytes PA:輸出信號中的物理地址， 一共有22位，頁面大小4Kbytes last』id:上一個運行的或即將被切換走的進程號 CUrr_pid:當前運行的或即將運行的進程號TLB: Translation Look-aside Buffer，用來力口速頁表查找一種硬件化的進程內存管理核的方法，包括以下步驟(1) 進程頁表的創(chuàng)建 輸入進程號PID輸出SUC寄存器，操作成功返回l，失敗返回O。 讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在PID_TO_PCB表(進程號與頁表基地址轉換表)中找到進程號所對應的表項，并將進程頁表的基地址，即PID * 1024寫入該表項中。這里采用一級頁表映射，每個頁表的大小為4K Bytes，因此該頁表可映射最多達8M Bytes的內存空間。(2) 進程虛擬地址到硬件地址的映射輸入進程號PID，要映射的虛擬地址，要映射的物理地址輸出SUC寄存器，操作成功返回l，失敗返回O。根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛 擬地址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，檢査表項中的合 法位是否置位，如果已經(jīng)置位則操作失敗，將suc賦值為0。否則將物理地址 的高10位填入該表項中并將表項中的合法位置位。該合法位標識了該虛擬頁已 經(jīng)被映射使用。(3) 進程虛擬地址到硬件地址的取消映射 輸入進程號PID，要取消映射的虛擬地址 輸出SUC寄存器，操作成功返回l，失敗返回O。根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛 擬地址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，將表項中的合法位清除，表示該虛擬頁已經(jīng)被釋放。(4) 進程頁表的切換輸入即將運行進程號PID輸出SUC寄存器，操作成功返回l，失敗返回O。 首先將切換前運行的進程PID存儲到用來記錄上一個運行進程PID 號寄存器last_pid中，然后將輸入的進程PID號賦給標志當前運行進程PID的 寄存器Curr_pid。由于在進行虛擬地址到物理地址的轉換時，頁表的選擇是根 據(jù)Curr_pid來進行計算餓，因此修改了 curr_pid的值也意味著頁表的成功切換。(5) 進程頁表的刪除 輸入進程號PID輸出無讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在進程號與頁表基地址轉換表中找 到進程號所對應的表項，并將該表項清空，表明該進程的頁表映射己經(jīng)完全失 效，同時要將實際頁表中所有項的合法位清空。 (6)進程虛擬地址到物理地址的轉換 輸入虛擬地址VA輸出物理地址PA， SUC寄存器，操作成功返回l，失敗返回0。 將輸入虛擬地址的前10位作為索引，首先在TLB中進行査找，如果查找 到則直接返回物理地址。否則以curr一j3id計算出當前進程頁表的基地址，在該 頁表中選擇出對應的表項。然后檢査該表項的合法位，如果該位為零則表明無 此虛擬地址，程序訪問錯誤，置suc為0。否則將表項中存儲的物理地址高10 位讀出到PA寄存器中和TLB的對應項中。TLB的替換策略采用先進先出的替 換策略。本發(fā)明所述的是一種硬件化的進程內存管理核的方法，提出了操作系統(tǒng)軟 件功能硬件化的思想。主要方法是將內存管理中進程頁表創(chuàng)建，刪除，切換， 虛擬地址映射，反映射以及虛擬地址到物理地址的轉換的功能交付給硬件來完 成，降低了調度時進程切換時的開銷，提高了進程切換時效率。本發(fā)明的思想 可以利用在操作系統(tǒng)的其他部件中。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例子。顯然， 本發(fā)明不限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從 本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范 圍。
權利要求
1、硬件化的進程內存管理核的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)進程頁表的創(chuàng)建讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在進程號與頁表基地址轉換表中找到進程號所對應的表項，并將進程頁表的基地址，即PID*1024寫入該表項中；(2)進程虛擬地址到硬件地址的映射根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛擬地址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，檢查表項中的合法位是否置位，如果已經(jīng)置位則操作失敗，將用于指示操作是否成功的寄存器suc賦值為0，表示操作失??；否則將物理地址的高10位填入該表項中并將表項中的合法位置位，該合法位標識了該虛擬頁已經(jīng)被映射使用；(3)進程虛擬地址到硬件地址的取消映射根據(jù)輸入的進程號PID，計算出該進程的頁表基地址，利用輸入的虛擬地址的高10位作為索引，找到頁表中該虛擬地址對應的項，將表項中的合法位清除，表示該虛擬頁已經(jīng)被釋放；(4)進程頁表的切換首先將切換前運行的進程PID存儲到用來記錄上一個運行進程PID號寄存器last_pid中，然后將輸入的進程PID號賦給標志當前運行進程PID的寄存器curr_pid；(5)進程頁表的刪除讀入要創(chuàng)建頁表的進程的進程號PID，在進程號與頁表基地址轉換表中找到進程號所對應的表項，并將該表項清空，表明該進程的頁表映射已經(jīng)完全失效，同時要將實際頁表中所有項的合法位清空；(6)進程虛擬地址到物理地址的轉換將輸入虛擬地址的前10位作為索引，首先在TLB中進行查找，如果查找到則直接返回物理地址；否則以curr_pid計算出當前進程頁表的基地址，在該頁表中選擇出對應的表項；然后檢查該表項的合法位，如果該位為零則表明無此虛擬地址，程序訪問錯誤，置suc為0；否則將表項中存儲的物理地址高10位讀出到PA寄存器中和TLB的對應項中；TLB的替換策略采用先進先出的替換策略。
2、 根據(jù)權利要求l所述的硬件化的進程內存管理核的方法，其特征在于，進程頁表創(chuàng)建、刪除、切換、虛擬地址映射、反映射以及虛擬地址到物理地址 的轉換由硬件來完成。全文摘要
本發(fā)明涉及硬件化的操作系統(tǒng)設計，旨在提供一種硬件化的進程內存管理核的方法。該方法包括以下步驟(1)進程頁表的創(chuàng)建；(2)進程虛擬地址到硬件地址的映射；(3)進程虛擬地址到硬件地址的取消映射；(4)進程頁表的切換；(5)進程頁表的刪除；(6)進程虛擬地址到物理地址的轉換。本發(fā)明所述的硬件化的進程內存管理核的方法，提出了操作系統(tǒng)軟件功能硬件化的思想。主要方法是將內存管理中進程頁表創(chuàng)建，刪除，切換，虛擬地址映射，反映射以及虛擬地址到物理地址的轉換的功能交付給硬件來完成，降低了調度時進程切換時的開銷，提高了進程切換時效率。本發(fā)明的思想還可以利用在操作系統(tǒng)的其他部件中。
文檔編號G06F9/46GK101315602SQ20081006234
公開日2008年12月3日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2008年5月9日
發(fā)明者嚴力科, 馮德貴, 楠 張, 罡 王, 章鐵飛, 斌 謝, 劍 陳, 度 陳, 陳天洲, 項凌翔 申請人:浙江大學