地址映射与共享

 地址映射与共享

3.1 实验目的

深入理解操作系统的段、页式内存管理，深入理解段表、页表、逻辑地址、线性地址、物理地址等概念；

实践段、页式内存管理的地址映射过程；

3.2 实验内容

本次实验的基本内容是：

用Bochs调试工具跟踪Linux 0.11的地址翻译（地址映射）过程，了解IA-32和Linux 0.11的内存管理机制；

3.2.1 跟踪地址翻译过程

首先以汇编级调试的方式启动bochs，引导Linux 0.11，在0.11下编译和运行test.c。它是一个无限循环的程序，永远不会主动退出。然后在调试器中通过查看各项系统参数，从逻辑地址、LDT表、GDT表、线性地址到页表，计算出变量i的物理地址。最后通过直接修改物理内存的方式让test.c退出运行。test.c的代码如下：

#include

int i = 0x12345678;

int main(void)

{    

printf("The logical/virtual address of i is 0x%08x", &i);    

fflush(stdout);    

while (i)       //注意是字母i不是数字1 

;    

return 0;

}

3.3 思考题

完成实验后，在实验报告中回答如下问题：

1．对于地址映射实验部分，列出你认为最重要的那几步（不超过4步），并给出你获得的实验数据。

2．test.c退出后，如果马上再运行一次，并再进行地址跟踪，你发现有哪些异同？为什么？

3.4 实验提示

《注释》中的5.3节和第13章对Linux 0.11的内存管理有详细分析、讲解，很值得一看。

3.4.1 IA-32的地址翻译过程

Linux 0.11完全遵循IA-32（Intel Architecture 32-bit）架构进行地址翻译，Windows、后续版本的Linux以及一切在IA-32保护模式下运行的操作系统都遵循此架构。因为只有这样才能充分发挥CPU的MMU的功能。关于此地址翻译过程的细节，请参考《注释》一书中的2.3.1-2.3.3节。

3.4.2 用Bochs汇编级调试功能进行人工地址翻译

此过程比较机械，基本不消耗脑细胞，做一下有很多好处。

3.4.2.1 准备

编译好Linux 0.11后，首先通过运行dbg-asm.bat启动调试器，此时Bochs的窗口处于黑屏状态，而命令行窗口显示：

======================================================================                       Bochs x86 Emulator 2.3.7

Build from CVS snapshot, on June 3, 2008

======================================================================00000000000i[     ] reading configuration from ./bochs/bochsrc.bxrc

00000000000i[     ] installing x module as the Bochs GUI

00000000000i[     ] using log file ./bochsout.txt

Next at t=0

(0) [0xfffffff0] f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b; ea5be000f0

_

“Next at t=0”表示下面的指令是Bochs启动后要执行的第一条软件指令。单步跟踪进去就能看到bios的代码。不过这不是本实验需要的。直接输入命令“c”，continue程序的运行，Bochs一如既往地启动了Linux 0.11。

在Linux 0.11下输入（或拷入）test.c，编译为test，运行之，打印如下信息：

The logical/virtual address of i is 0x00003004

只要test不变，0x00003004这个值在任何人的机器上都是一样的。即使在同一个机器上多次运行test，也是一样的。

test是一个死循环，只会不停占用CPU，不会退出。

3.4.2.2暂停

当test运行的时候，在命令行窗口按“ctrl+c”，Bochs会暂停运行，进入调试状态。绝大多数情况下都会停在test内，显示类似如下信息：

(0) [0x00fc8031] 000f:00000031 (unk. ctxt): cmp dword ptr ds:0x3004, 0x00000000 ; 833d0430000000

其中加粗的“000f”如果是“0008”，则说明中断在了内核里。那么就要c，然后再ctrl+c，直到变为“000f”为止。如果显示的下一条指令不是“cmp ...”，就用“n”命令单步运行几步，直到停在“cmp ...”。

使用命令“u /7”，显示从当前位置开始7条指令的反汇编代码，如下：

10000031: (                    ): cmp dword ptr ds:0x3004, 0x00000000 ; 833d0430000000

10000038: (                    ): jz .+0x00000002                   ; 7402

1000003a: (                    ): jmp .+0xfffffff5                    ; ebf5

1000003c: (                    ): xor eax, eax                       ; 31c0

1000003e: (                    ): jmp .+0x00000000                 ; eb00

10000040: (                    ): leave                            ; c9

10000041: (                    ): ret                              ; c3

这就是test.c中从while开始一直到return的汇编代码。变量i保存在ds:0x3004这个地址，并不停地和0进行比较，直到它为0，才会跳出循环。

现在，开始寻找ds:0x3004对应的物理地址。

3.4.2.3 段表

ds:0x3004是虚拟地址，ds表明这个地址属于ds段。首先要找到段表，然后通过ds的值在段表中找到ds段的具体信息，才能继续进行地址翻译。每个在IA-32上运行的应用程序都有一个段表，叫LDT(本地描述符表)，段的信息叫段描述符。

LDT在哪里呢？ldtr寄存器是线索的起点，通过它可以在GDT（全局描述符表）中找到LDT的物理地址。

用“sreg”命令：

cs:s=0x000f, dl=0x00000002, dh=0x10c0fa00, valid=1

ds:s=0x0017, dl=0x00003fff, dh=0x10c0f300, valid=3

ss:s=0x0017, dl=0x00003fff, dh=0x10c0f300, valid=1

es:s=0x0017, dl=0x00003fff, dh=0x10c0f300, valid=1

fs:s=0x0017, dl=0x00003fff, dh=0x10c0f300, valid=1

gs:s=0x0017, dl=0x00003fff, dh=0x10c0f300, valid=1

ldtr:s=0x0068, dl=0xc2d00068, dh=0x000082f9, valid=1

tr:s=0x0060, dl=0x52e80068, dh=0x00008bfd, valid=1

gdtr:base=0x00005cc8, limit=0x7ff

idtr:base=0x000054c8, limit=0x7ff

可以看到ldtr的值是0x0068=0000000001101000（二进制），表示LDT表存放在GDT表的1101(二进制)=13（十进制）号位置（每位数据的意义参考后文叙述的段选择子）。而GDT的位置已经由gdtr明确给出，在物理地址的0x00005cc8。用“xp /32w 0x00005cc8”查看从该地址开始，32个字的内容，及GDT表的前16项，如下：

0x00005cc8 : 0x00000000 0x00000000 0x00000fff 0x00c09a00

0x00005cd8 : 0x00000fff 0x00c09300 0x00000000 0x00000000

0x00005ce8 : 0xa4280068 0x00008901 0xa4100068 0x00008201

0x00005cf8 : 0xf2e80068 0x000089ff 0xf2d00068 0x000082ff

0x00005d08 : 0xd2e80068 0x000089ff 0xd2d00068 0x000082ff

0x00005d18 : 0x12e80068 0x000089fc 0x12d00068 0x000082fc

0x00005d28 : 0xc2e80068 0x00008bf9 0xc2d00068 0x000082f9

0x00005d38 : 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00000000

GDT表中的每一项占64位（8个字节），所以我们要查找的项的地址是“0x00005cc8 + 13 * 8”。“xp /2w 0x00005cc8 + 13 * 8”，得到：

0x00005d30 : 0xc2d00068 0x000082f9

上两步看到的数值可能和这里给出的示例不一致，这是很正常的。如果想确认是否准确，就看sreg输出中，ldtr所在行里，dl和dh的值，它们是Bochs的调试器自动计算出的，你寻找到的必须和它们一致。

“0xc2d00068 0x000082f9”将其中的加粗数字组合为“0x00f9c2d0”，这就是LDT表的物理地址（为什么这么组合，参考后文介绍的段描述符）。“xp /8w 0x00f9c2d0”，得到：

0x00f9c2d0 : 0x00000000 0x00000000 0x00000002 0x10c0fa00

0x00f9c2e0 : 0x00003fff 0x10c0f300 0x00000000 0x00f9d000

这就是LDT表的前4项内容了。