linux 中获取内存信息的方法

大家可能在想，我们获取内存信息多简单啊，直接top命令就可以了。确实，在Linux中输入这个命令就可以了。但是在我们自己的操作系统上可没人帮我们实现top命令，所以我们必须明白这个top命令的底层原理实现。

注：top这个例子可能不是很准确，大家懂我啥意思就好了

在x86体系下，由三种方法可以查看系统的内存，但是其本质都是依托BIOS的0x15中断的三个子功能：

eax = 0xe820：遍历主机上全部内存
ax = 0xe801：分别检测低15MB和16MB~4GB的内存
ah = 0x88：最多检测出64MB内存

BIOS中断是实模式下的方法，其可以返回已安装的硬件信息。本质呢，则是通过连续调用硬件的应用程序接口API来获取内存信息的。但是由于我们之后就要进入保护模式了，所以我们需要把结果存到内存中，这个等会儿在说。

0xe820：遍历主机上全部内存

BIOS中断0x15的子功能号0xe820能够获取系统的内存布局，由于系统内存各部分的类型属性不同，BIOS就按照类型属性来划分这片系统内存，BIOS不断的将内存信息返回。这个返回的本质起始时一个地址范围描述符，其结构如下：

其中每个字段的含义如下：

BaseAddrLow：基地址的低32位
BaseAddrHigh：基地址的高32位
LengthLow：内存长度低32位
LengthHigh：内存长度高32位
Type：本段内存的属性

其他几个都没啥好讲的，主要是这个Type字段，其含义如下：

值	描述
1	这段内存可以被操作系统使用
2	内存使用中或者被系统保留，操作系统不可用
其他	未定义

而获取地址范围描述符就要守规矩，基本规则就是我们输入什么，它们返回什么。

首先是调用前输入：

寄存器	用途
eax	输入子功能号，由于是要用0xe820，所以此处是0xe820，子功能号更改一下就好了
ebx	ards后续值：因为每次只能返回一个，所以它里面并保存的就是后续值的地址，可以想象为链表
es : di	ards缓冲区：BIOS将获取到的内存信息写入此寄存器执行的内存
ecx	ards结构的字节大小，目前输入20就可以了
edx	固定签名标记0x534d4150

而检测主要有以下几个步骤：

填写好输入的寄存器
执行中断
在CF位为0的情况下，获取相应的结果

而用代码表示则是这样：

   xor ebx, ebx            ;第一次调用时，ebx值要为0mov edx, 0x534d4150       mov di, ards_buf        ;ards结构缓冲区mov eax, 0x0000e820       ;执行int 0x15后,eax值变为0x534d4150,所以每次执行int前都要更新为子功能号。mov ecx, 20           ;ARDS地址范围描述符结构大小是20字节int 0x15

我们输入之后直接启用中断就好，之后等待返回就可以了，返回规则如下：

寄存器或状态位	用途
CF位	若CF为0表示调用成功，为1表示调用出错
EAX	字符串SMAP的ASCII码 0x534d4150
es : di	ards缓冲区地址
ecx	BIOS写入到缓冲区中的字节数
ebx	后续值的位置

代码实现如下：

.e820_mem_get_loop:        ;循环获取每个ARDS内存范围描述结构mov eax, 0x0000e820          ;执行int 0x15后,eax值变为0x534d4150,所以每次执行int前都要更新为子功能号。mov ecx, 20           ;ARDS地址范围描述符结构大小是20字节int 0x15jc .e820_failed_so_try_e801   ;若cf位为1则有错误发生，尝试0xe801子功能add di, cx           ;使di增加20字节指向缓冲区中新的ARDS结构位置inc word [ards_nr]        ;记录ARDS数量cmp ebx, 0             ;若ebx为0且cf不为1,这说明ards全部返回，当前已是最后一个jnz .e820_mem_get_loop;在所有ards结构中，找出(base_add_low + length_low)的最大值，即内存的容量。mov cx, [ards_nr]        ;遍历每一个ARDS结构体,循环次数是ARDS的数量mov ebx, ards_buf xor edx, edx

0xe801：分别检测低15MB和16MB~4GB的内存

现在我们来介绍一下第二种方法，其也是0xe820失败后我们应该采取的第一个补救措施。

为什么他不是我们获取内存信息的首要方法呢？这是因为其检测到的内存是分别存放到两组寄存器中的。低于15MB的内存以1KB为单位大小来记录，单位数量在寄存器ax和cx中记录，当然，这两个值一样的。16MB~4GB是以64KB为单位大小来记录的，单位数量在寄存器bx和dx中记录。

而我们想使用这个功能。只需要简单的填写一个ax中的功能号就好了。

寄存器	描述
ax	输入子功能号0xe801

而在触发中断之后，BIOS会给我们返回以下信息：

寄存器或状态位	描述
CF位	CF为0表示调用成功，为1表示调用出错
ax	显示15MB以下的内存容量，以1KB为单位
bx	显示16MB~4GB的内存容量，以64KB为单位
cx	同ax
dx	同bx

实现思路和上面的0xe820，所以代码上面我们也很好实现啦：

.e820_failed_so_try_e801:mov ax,0xe801int 0x15jc .e801_failed_so_try88   ;若当前e801方法失败,就尝试0x88方法;1 先算出低15M的内存,ax和cx中是以KB为单位的内存数量,将其转换为以byte为单位mov cx,0x400         ;cx和ax值一样,cx用做乘数mul cx shl edx,16and eax,0x0000FFFFor edx,eaxadd edx, 0x100000 ;ax只是15MB,故要加1MBmov esi,edx      ;先把低15MB的内存容量存入esi寄存器备份;2 再将16MB以上的内存转换为byte为单位,寄存器bx和dx中是以64KB为单位的内存数量xor eax,eaxmov ax,bx        mov ecx, 0x10000    ;0x10000十进制为64KBmul ecx     ;32位乘法,默认的被乘数是eax,积为64位,高32位存入edx,低32位存入eax.add esi,eax     ;由于此方法只能测出4G以内的内存,故32位eax足够了,edx肯定为0,只加eax便可mov edx,esi     ;edx为总内存大小jmp .mem_get_ok

ah = 0x88：检测64MB内存

这个方法应该是功能性最局限的了。思路和上面两个基本一样，只是输入和输出的东西不同了。
先看一下输入：

寄存器	用途
ah	子功能号：0x88

而输出的东西也很简单：


CF位	若CF为0表示调用未出错，CF为1表示出错
ax	内存空间1MB之上的连续单位数量，以1KB为单位

其代码实现如下：

.e801_failed_so_try88: ;int 15后，ax存入的是以kb为单位的内存容量mov  ah, 0x88int  0x15jc .error_hltand eax,0x0000FFFF;16位乘法，被乘数是ax,积为32位.积的高16位在dx中，积的低16位在ax中mov cx, 0x400     ;0x400等于1024,将ax中的内存容量换为以byte为单位mul cxshl edx, 16       ;把dx移到高16位or edx, eax       ;把积的低16位组合到edx,为32位的积add edx,0x100000  ;0x88子功能只会返回1MB以上的内存,故实际内存大小要加上1MB

最终实现

这样我们就获得了内存信息，之后我们把这个值存储到0xb00这个位置：

   ; total_mem_bytes用于保存内存容量,以字节为单位,此位置比较好记。; 当前偏移loader.bin文件头0x200字节,loader.bin的加载地址是0x900,; 故total_mem_bytes内存中的地址是0xb00.将来在内核中咱们会引用此地址total_mem_bytes dd 0       loader_start:;-------  int 15h eax = 0000E820h ,edx = 534D4150h ('SMAP') 获取内存布局  -------xor ebx, ebx              ;第一次调用时，ebx值要为0mov edx, 0x534d4150       ;edx只赋值一次，循环体中不会改变mov di, ards_buf       ;ards结构缓冲区
.e820_mem_get_loop:       ;循环获取每个ARDS内存范围描述结构mov eax, 0x0000e820          ;执行int 0x15后,eax值变为0x534d4150,所以每次执行int前都要更新为子功能号。mov ecx, 20           ;ARDS地址范围描述符结构大小是20字节int 0x15jc .e820_failed_so_try_e801   ;若cf位为1则有错误发生，尝试0xe801子功能add di, cx           ;使di增加20字节指向缓冲区中新的ARDS结构位置inc word [ards_nr]        ;记录ARDS数量cmp ebx, 0             ;若ebx为0且cf不为1,这说明ards全部返回，当前已是最后一个jnz .e820_mem_get_loop;在所有ards结构中，找出(base_add_low + length_low)的最大值，即内存的容量。mov cx, [ards_nr]        ;遍历每一个ARDS结构体,循环次数是ARDS的数量mov ebx, ards_buf xor edx, edx            ;edx为最大的内存容量,在此先清0
.find_max_mem_area:       ;无须判断type是否为1,最大的内存块一定是可被使用mov eax, [ebx]       ;base_add_lowadd eax, [ebx+8]          ;length_lowadd ebx, 20              ;指向缓冲区中下一个ARDS结构cmp edx, eax            ;冒泡排序，找出最大,edx寄存器始终是最大的内存容量jge .next_ardsmov edx, eax            ;edx为总内存大小
.next_ards:loop .find_max_mem_areajmp .mem_get_ok;------  int 15h ax = E801h 获取内存大小,最大支持4G  ------
; 返回后, ax cx 值一样,以KB为单位,bx dx值一样,以64KB为单位
; 在ax和cx寄存器中为低16M,在bx和dx寄存器中为16MB到4G。
.e820_failed_so_try_e801:mov ax,0xe801int 0x15jc .e801_failed_so_try88   ;若当前e801方法失败,就尝试0x88方法;1 先算出低15M的内存,ax和cx中是以KB为单位的内存数量,将其转换为以byte为单位mov cx,0x400        ;cx和ax值一样,cx用做乘数mul cx shl edx,16and eax,0x0000FFFFor edx,eaxadd edx, 0x100000 ;ax只是15MB,故要加1MBmov esi,edx      ;先把低15MB的内存容量存入esi寄存器备份;2 再将16MB以上的内存转换为byte为单位,寄存器bx和dx中是以64KB为单位的内存数量xor eax,eaxmov ax,bx        mov ecx, 0x10000    ;0x10000十进制为64KBmul ecx     ;32位乘法,默认的被乘数是eax,积为64位,高32位存入edx,低32位存入eax.add esi,eax     ;由于此方法只能测出4G以内的内存,故32位eax足够了,edx肯定为0,只加eax便可mov edx,esi     ;edx为总内存大小jmp .mem_get_ok;-----------------  int 15h ah = 0x88 获取内存大小,只能获取64M之内  ----------
.e801_failed_so_try88: ;int 15后，ax存入的是以kb为单位的内存容量mov  ah, 0x88int  0x15jc .error_hltand eax,0x0000FFFF;16位乘法，被乘数是ax,积为32位.积的高16位在dx中，积的低16位在ax中mov cx, 0x400     ;0x400等于1024,将ax中的内存容量换为以byte为单位mul cxshl edx, 16      ;把dx移到高16位or edx, eax       ;把积的低16位组合到edx,为32位的积add edx,0x100000  ;0x88子功能只会返回1MB以上的内存,故实际内存大小要加上1MB.mem_get_ok:mov [total_mem_bytes], edx     ;将内存换为byte单位后存入total_mem_bytes处。

参考文献

[1] 操作系统真相还原

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