[发明专利]硬件化的进程内存管理核的方法

说明书

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10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。RTLinux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(页表缓冲)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(输出物理地址寄存器)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：