電子科大操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)二 地址映射

1、第第 頁實(shí)驗(yàn)二地址映射一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4指導(dǎo)教師：丁旭陽二、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：主樓A2-412實(shí)驗(yàn)時(shí)間：三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)，掌握分頁機(jī)制的實(shí)驗(yàn)原理，了解頁表的內(nèi)容和機(jī)制。掌握計(jì)算機(jī)的尋址過程，掌握頁式地址地址轉(zhuǎn)換過程，掌握計(jì)算機(jī)各種寄存器的用法。四、實(shí)驗(yàn)原理：1.關(guān)于計(jì)算機(jī)中的地址物理地址：物理地址最好理解，我們可以簡單的把內(nèi)存比作一個(gè)大的數(shù)組（為了分析方便），每個(gè)數(shù)組都有其下標(biāo)，這個(gè)下標(biāo)標(biāo)識(shí)了內(nèi)存中的地址，這個(gè)實(shí)實(shí)在在的在內(nèi)存中的地址，我們稱之為物理地址。但是在用于內(nèi)存芯片級(jí)的單元尋址，與處理器和CPU連接的地址總線相對(duì)應(yīng)，相信并不是一個(gè)所謂的數(shù)組，但是做出這樣的比擬，有利于更好的理解。邏輯地址：

2、與物理地址比較相對(duì)的是邏輯地址，實(shí)際上這個(gè)概念，我覺得可以這樣理解，這個(gè)地址就是在程序中我們把它放到的位置；而這個(gè)位置通常是由編譯器給出的。另外的一種理解是：邏輯地址指的是機(jī)器語言指令中，用來指定一個(gè)操作數(shù)或者是一條指令的地址。Intel段式管理中：，“一個(gè)邏輯地址，是由一個(gè)段標(biāo)識(shí)符加上一個(gè)指定段內(nèi)相對(duì)地址的偏移量，表示為段標(biāo)識(shí)符：段內(nèi)偏移量?！北热缥覀?cè)诔绦蛑卸x一個(gè)變量intg=3；相應(yīng)的匯編代碼應(yīng)該是movg,3;那么這個(gè)g應(yīng)該放在哪兒呢？實(shí)際上我們可以看到，這個(gè)g的地址總在在編譯，鏈接之后就會(huì)一個(gè)確定的地址;而這個(gè)確定的地址我們叫做邏輯地址。虛擬地址：VirtualAddress,簡稱

3、VA,由于Windows程序時(shí)運(yùn)行在386保護(hù)模式下，這樣程序訪問存儲(chǔ)器所使用的邏輯地址稱為虛擬地址。實(shí)際上因?yàn)槲覀儸F(xiàn)代程序中地址都是虛擬的，所以這里的虛擬地址和線性地址是等價(jià)了的。線性地址：線性地址(LinearAddress)也叫虛擬地址(virtualaddress)是邏輯地址到物理地址變換之間的中間層。在分段部件中邏輯地址是段中的偏移地址，然后加上基地址就是線性地址。2.復(fù)雜的地址轉(zhuǎn)換現(xiàn)在回到問題的本質(zhì)，現(xiàn)在一個(gè)程序要運(yùn)行，必須加載到事實(shí)在在的內(nèi)存中去，CPU需要將一個(gè)虛擬內(nèi)存空間中的地址轉(zhuǎn)換為物理地址，也就是：將一個(gè)邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。需要進(jìn)行兩步：首先將給定一個(gè)邏輯地址，CPU

4、要利用其段式內(nèi)存管理單元，先將為個(gè)邏輯地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)線程地址，再利用其頁式內(nèi)存管理單元，轉(zhuǎn)換為最終物理地址。這樣的兩次轉(zhuǎn)換真真切切在我們的CPU中，當(dāng)然也在很多的教輔材料中，不想花太多的時(shí)間描述，因?yàn)槔锩嫔婕暗降膬?nèi)容太復(fù)雜了，很多問題我都沒有清晰的答案：從開機(jī)啟動(dòng)的內(nèi)存，cache初始化到bootloader,GDT/LDT等等，而且這還沒有考慮到操作系統(tǒng)之間的差異，因?yàn)閘inux,windows對(duì)待地址轉(zhuǎn)換問題是有些不同的。這個(gè)圖很清晰的描述了邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程：即邏輯地址二二”線性地址二二”物理地址3.段頁式管理的實(shí)現(xiàn)原理1）虛地址的構(gòu)成一個(gè)進(jìn)程中所包含的具有獨(dú)立邏輯功能的程序或

5、數(shù)據(jù)仍被劃分為段，并有各自的段號(hào)s。這反映相繼承了段式管理的特征。其次，對(duì)于段s中的程序或數(shù)據(jù)，則按照一定的大小將其劃分為不同的頁。和頁式系統(tǒng)一樣，最后不足一頁的部分仍占一頁。這反映了段頁式管理中的頁式特征。從而，段頁式管理時(shí)的進(jìn)程的虛擬地址空間中的虛擬地址由三部分組成：即段號(hào)s，頁號(hào)P和頁內(nèi)相對(duì)地址d。虛擬空間的最小單位是頁而不是段，從而內(nèi)存可用區(qū)也就被劃分成為著干個(gè)大小相等的頁面，且每段所擁有的程序和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中可以分開存放。分段的大小也不再受內(nèi)存可用區(qū)的限制。2）段表和頁表為了實(shí)現(xiàn)段頁式管理，系統(tǒng)必須為每個(gè)作業(yè)或進(jìn)程建立一張段表以管理內(nèi)存分配與釋放、缺段處理、存儲(chǔ)保護(hù)相地址變換等。另外，

6、由于一個(gè)段又被劃分成了若干頁，每個(gè)段又必須建立一張頁表以把段中的虛頁變換成內(nèi)存中的實(shí)際頁面。顯然，與頁式管理時(shí)相同，頁表中也要有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)缺頁中斷處理和頁面保護(hù)等功能的表項(xiàng)。另外，由于在段頁式管理中，頁表不再是屬于進(jìn)程而是屬于某個(gè)段，因此，段表中應(yīng)有專項(xiàng)指出該段所對(duì)應(yīng)頁表的頁表始址和頁表長度。3）動(dòng)態(tài)地址變換過程在一般使用段頁式存儲(chǔ)管理方式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，都在內(nèi)存中辟出一塊固定的區(qū)域存放進(jìn)程的段表和頁表。因此，在段頁式管理系統(tǒng)中，要對(duì)內(nèi)存中指令或數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存取的話，至少需要訪問三次以上的內(nèi)存：第一次是由段表地址寄存器得段表始址后訪問段表，由此取出對(duì)應(yīng)段的頁表在內(nèi)存中的地址。第二次則是訪問頁表

7、得到所要訪問的物理地址。第三次才能訪問真正需要訪問的物理單元。顯然，這將使CPU的執(zhí)行指令速度大大降低。為了提高地址轉(zhuǎn)換速度，設(shè)置快速聯(lián)想寄存器就顯得比段式管理或頁式管理時(shí)更加需要。在快速聯(lián)想寄存器中，存放當(dāng)前最常用的段號(hào)S、頁號(hào)p和對(duì)應(yīng)的內(nèi)存頁面與其它控制用欄目。當(dāng)要訪問內(nèi)存空間某一單元時(shí)，可在通過段表、頁表進(jìn)行內(nèi)存地址查找的同時(shí)，根據(jù)快速聯(lián)想寄存器查找其段號(hào)和頁號(hào)。如果所要訪問的段或頁在快速聯(lián)想寄存器中，則系統(tǒng)不再訪問內(nèi)存中的段表、頁表而直接把快速聯(lián)想寄存器中的值與頁內(nèi)相對(duì)地址d拼接起來得到內(nèi)存地址。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一個(gè)設(shè)置了全局變量的循環(huán)程序，通過查看段寄存器，LDT表，GDT表

8、等信息，經(jīng)過一系列段、頁地址轉(zhuǎn)換，找到程序中該全局變量的物理地址，實(shí)現(xiàn)控制程序運(yùn)行的目的。通過手工查看系統(tǒng)內(nèi)存，并修改特定物理內(nèi)存的值，實(shí)現(xiàn)控制程序運(yùn)行的目的六、實(shí)驗(yàn)步驟：.安裝bochs和linux系統(tǒng)使用實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)文件進(jìn)行bochs虛擬機(jī)的安裝，同時(shí)將系統(tǒng)文件拷貝至安裝文件夾下，并新建一個(gè)批處理文件，寫入以下內(nèi)容：cdC:ProgramFiles(x86)Bochs-2.1.1bochsdbg.exe-q-fbochsrc-hd.bxrc，方便以后使用。運(yùn)行這個(gè)批處理文件，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。.編寫實(shí)驗(yàn)程序按照實(shí)驗(yàn)要求編寫Linux下的C語言程序，具體代碼如下：#includeintj=0

9、 x123456;intmain()printf(theaddressofjis0 x%xn,&j);while(j);printf(programterminatedbormally!n);return0;在mnt文件夾下新建test.c文件，使用“vitest.c”命令對(duì)test.c文件進(jìn)行編輯，輸入上面的代碼，按下esc鍵，并輸入“：wq”保存文件。接著在該目錄下使用gcc命令進(jìn)行C語言程序的編譯，輸入“。-otttest.c”命令生成可執(zhí)行文件壯,輸入ls命令查看當(dāng)前目錄下文件，并輸入“./杜”命令執(zhí)行程序。3.修改地址值為了讓linux-0.11中運(yùn)行的test跳出循環(huán)，需要找到邏輯

10、地址ds:0 x3004對(duì)應(yīng)的物理地址，將其內(nèi)容（變量i）改為0。1）首先要得到段表LDT，取得ds對(duì)應(yīng)的段描述符，才能得到ds的基址，從而得到ds:0 x3004對(duì)應(yīng)的線性地址，進(jìn)而從線性地址計(jì)算出物理地址。段描述符放在LDT中，ldt的描述符放在GDT中，GDT的地址與LDT在GDT中的項(xiàng)的索引分別保存在gdtr和ldtr中：s部分是一個(gè)段選擇子，dl和dh是bochs自動(dòng)算得的段描述符。ldtr為0 x0068=0000000001101000b，可知索引為1101b即13，TI位為0，即GDT中的第13項(xiàng)為LDT的段描述符，每個(gè)段描述符64bit=8byte:得到的LDT段描述符（與s

11、reg指令得到的ldtr中的dl、dh相同），從而我們可以得到LDT的基址為0 x00f9a2d0。2）ds段選擇子為0 x0017=0000000000010111b，可知索引為10b即2，TI位為1,即LDT中的第2項(xiàng)為ds的段描述符，每個(gè)段描述符64bit=8byte:得到的ds段描述符，從而我們可以得到ds的基址為0 x10000000。故ds:0 x3004對(duì)應(yīng)的線性地址為0 x10000000+0 x3004=0 x10003004。3）由線性地址計(jì)算出物理地址線性地址0 x10003004=00010000000000000011000000000100b，可知頁目錄號(hào)為1000

12、000b即64，頁表為11b即3，頁內(nèi)偏移為100b即4。頁目錄表的基址存放于CR3中：獲取頁目錄項(xiàng)：可知頁表基地址為0 x00fa9000。獲取頁表項(xiàng)：可知物理頁基地址為0 x00fa7000?？梢钥吹絻?nèi)容是test.c中的變量i的值，將它設(shè)置為0，完成后重新運(yùn)行程序，查看運(yùn)行情況。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1.C語言程序?qū)嵗a1inescharsFl2enalN&smouse蹴BochsforWindows-1inescharsFl2enalN&smouse蹴BochsforWindows-Di印值y”口&2004gnraTiondleex86)J132jnodulfbochsoLitwimclud

13、eTntJ-exlZ3456；Intmahi()rprintfCihedddresEofjis-GxXxSnjSJ)；philieCj)Jprintf(programiter-minatedbormo1ly):t-etorii9jUlOe0101HochsUlOe0101HochsfilUSjbitaQmaster：Generic1Z34ftTfl-ZHard-Disk(59rtEytEs)2.代碼執(zhí)行情況，可以看到進(jìn)入了死循環(huán)，使用CTRL+C退出該循環(huán)。February08,2口口4Ireadingcnnfiguration,fromC：Prnsrairi.riles(k86)BDchs2

14、a1,lbochsrc-hd,bxrc.(：ProgramFilesCz86)Boc.hs-3BLlbDGhsrG-hdrbsrc：unknownparameterforparportligmIinstallingWin32nuduleastheBochsGJIusinglogfilebachsout.txthJoDtingfromFloppyaE.Loadingsystem,一.足然，星可使CPU臼磯行搭等HB-controllerresetfailed：.足然，星可使CPU臼磯行搭等HB-controllerresetfailed：0Pari:itinntab1enk.46092/66fi

15、G0fblocks15235/26600fru亡inndEs3466biuffEr-s=35耳力bytesbufferspaceFreeniEnn：1Z5BZ912bytesOk.LzusFxrootJUcd速聯(lián)想寄存器就顯得二匕段式官田中.存放當(dāng)前最常用的段號(hào)3、/usrluillcdE/rnnt|a.out/untliiL/mnitcdmuttest.cffcc-dttest.ca/trtheaddressofjis：9x3904當(dāng)要訪問內(nèi)存空間某一單元時(shí).3.查看各寄存器中的值，并進(jìn)行修改KrCSlfllXlbdJc：Oxlbpbp：0K3ftfof8|esi：Ok】!edi:0 x0e

16、sp:0 x3fffef8eflag白:。溫說eip：0K6&cs：5=0 xf,dl=Ox&dh=&K10cOftiOO,vali4=ilh=OxlOcOf3(KH.H.th=010rDf300hdh=0 xl00f300rdh=cxi(konoavalidolvelid3vaid=lvalid=lvalld=lldr:s0 x6S.dl-Oxe2dOC06E.dh_O?i82fa,valid-1tr-5=(h&0.dl=0 xe2e8OQS,vaJid=lgdtr：base=OKjchS.lLmit=0K7ffidir:basc-0N34bS.limit=OsTfrdrO:OjtOdrll

17、OxOdr2：OiOtr6:QjcOtr7：0?cOcrO:0 x800000lbcrllOxO“2:0第04bo9。cr3:0jc0cr4moinhibit_nask;Cdone卬,2*0 x5cb8+l3*8bochs:0 xe2d00068Ox(K)OO82fflOsOO(K)3fff(hlOcOfSW0 x00faa027OxOOOOOCOO0 x00fa90670 x000000000 x001234560 x000030340 x000 x000000000 x000030340w00005d20:xp/2wOxfae2dO+16hoehsl:OxOOfaeSeO:3口/2w0 x

18、40*4bochs:OkOOOOOIOO:xbochs：6町/2wOxfaaOOO+3*4bochs:OxOOfaaOOc;卬/2wDxfa9000+4boehs:Cx00fa9004:“tpm自m0 xfa90040 x04xp/2w0 xfa9004bochs:0 x00fa9004:計(jì)算并修改存儲(chǔ)j的地址，然后修改其值，修改為0之后重新執(zhí)行程序，可以看到程序成功執(zhí)行并且也成功退出了循環(huán)。t)LZJIICOZpnIst)billdeuetcimagemnttnnpusrwp/111cdhintvices/nntinIsdualdeu:.;esajontttestuCtt30000Dztuntingcc-osstestacCzMnt1111000D0znntinnoneznntInoff(doesn?t