linux0.11—内存管理实验

实验基本内容

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；
在 Ubuntu 上编写多进程的生产者—消费者程序，用共享内存做缓冲区；
在信号量实验的基础上，为 Linux 0.11 增加共享内存功能，并将生产者—消费者程序移植到 Linux 0.11。

实验一

过程：

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。
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。
通过直接修改物理内存的方式让 test.c 退出运行。

目的：

主要理解从逻辑地址到线性地址，再到物理地址的过程中，GDT、LDT表以及相关页表是怎么进行查找的过程。

编译Linux0.11

进入实验楼环境
cd oslab/
tar -zxvf hit... -C /home/shiyanlou

cd linux-0.11

linux-0.11目录中是linux的源代码，然后执行make all得到对应的Image，生成的目标文件是一个软盘镜像文件—— linux-0.11/Image。

到这里linux-0.11编译完成。

退回到oslab目录，执行./dbg-asm启动调试器

cd /home/shiyanlou/oslab
./dbg-asm

Bochs窗口处于黑屏状态

命令行窗口如下：

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。这里单步跟踪进去就可以看到BIOS代码。

直接输入命令c，continue程序运行，启动linux0.11。

在Bochs界面编写test.c代码

如下：

#include <stdio.h>int i = 0x12345678;
int main(void)
{printf("The logical/virtual address of i is 0x%08x", &i);fflush(stdout);while (i);return 0;
}

同时执行

gcc -o test test.c

得到如下：

执行test程序：

在命令行窗口按Ctrl+c，Bochs暂停运行，进入调试状态

注意其中红色框，因为第四个红框中没有出现cmp指令，因此使用n命令单步运行，如下

到这样即可。

使用u /8命令，显示从当前位置开始的8条指令的反汇编代码：

<bochs:4> u /8
10000063: (                    ): cmp dword ptr ds:0x3004, 0x00000000 ; 833d0430000000
1000006a: (                    ): jz .+0x00000004           ; 7404
1000006c: (                    ): jmp .+0xfffffff5          ; ebf5
1000006e: (                    ): add byte ptr ds:[eax], al ; 0000
10000070: (                    ): xor eax, eax              ; 31c0
10000072: (                    ): jmp .+0x00000000          ; eb00
10000074: (                    ): leave                     ; c9
10000075: (                    ): 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。

为了让linux-0.11中运行的test跳出循环，需要找到逻辑地址ds:0x3004对应的物理地址，将其内容（变量i）改为0。

寻找ds:0x3004对应的线性地址

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LDT，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。

LDT的段描述符

段描述符放在LDT中，而LDT的描述符放在GDT中，GDT的地址与LDT在GDT中的项的索引分别保存在gdtr和ldtr中。

可以看到ldtr的值是0x0068=0000 0000 0110 1000（二进制），根据段选择子的结构看

可以知道索引为1101(二进制)，即为13，TI位为0，表示GDT中的第13项为LDT的段描述符，每个段描述符64bit—>8byte。

由于GDT的地址已经由gdtr给出，在物理地址的0x00005cb8，那么用xp /32w 0x00005cb8查看从该地址开始，32个字内容，及GDT表的前16项：

那么我们要查找的项的地址是0x00005cb8+ 13*8。

得到的LDT段描述符（与sreg指令得到的ldtr中的dl、dh相同），从而我们可以得到LDT的基址为0x00faa2d0。

上面的LDT的基址是根据段描述符的结构得来的：

上图中0xa2d00068是低32位，0x000082fa是高32位，从段描述符结构看，低32位的16到31位是基址的0-15位，然后高32位的0-7和24-31位是基址的16-31位，所以结果是LDT的基址为0x00faa2d0。

ds的段描述符和段基址

LDT表的前4项

<bochs:7> xp /8w 0x00faa2d0
[bochs]:
0x00faa2d0 <bogus+       0>:    0x00000000    0x00000000    0x00000002    0x10c0fa00
0x00faa2e0 <bogus+      16>:    0x00003fff    0x10c0f300    0x00000000    0x00fab000

ds段选择子为0x0017 => 0000 0000 0001 0111(二进制)，可知索引为10（二进制）即2，TI位为1，即LDT中的第2项为ds的段描述符，每个段描述符64bit => 8byte。这里的TI位为1，所以去LDT表中查找。

从索引为2可知，ds的段描述符在LDT表的第3个，每个段描述符64bit，因此ds的段描述符为：

 0x00003fff    0x10c0f300

当然可以使用xp /2w 0x00faa2d0+2*8

同样根据段描述符的结构可得段基址为0x10000000。

ds:0x3004的线性地址

由于线性地址=段基址+段内偏移，所以ds:0x3004的线性地址为0x10000000+0x3004=0x10003004。

用calc ds:3004验证：

寻址ds:0x3004的物理地址

从线性地址到物理地址需要查找页表，页表工作原理如下：

首先需要算出线性地址中的页目录号、页表号和页内偏移，分别对应32位线性地址的10位+10位+12位，所以0x10003004的页目录号为64，页号为3，页内偏移为4。

页目录表的位置由CR3寄存器指引。creg命令可以看到：

所以页目录表的基址为0。

页目录表和页表中的内容很简单，是 1024 个 32 位（正好是 4K）数。这 32 位中前 20 位是物理页框号，后面是一些属性信息（其中最重要的是最后一位 P）。其中第 65 个页目录项就是我们要找的内容，用“xp /w 0+64*4”查看：

其中027为属性。页表所在物理页框号为0x00fa5，即页表在物理内存的0x00fa5000位置。从该位置开始查找3号页表项，得到(xp /w 0x00fa5000+3*4)

其中067是属性，那么线性地址0x10003004对应的物理页框号为0x00fa3,和页内偏移0x004接到一起就是0x00fa3004。

使用命令xp /w 0x00fa3004，进行验证，如下：

可以看到这个数值确实是test.c中i的初始值。

说明0x00fa3004是对应物理地址。

修改对应物理地址中的值完成实验

现在，通过直接修改内存来改变 i 的值为 0，命令是： setpmem 0x00fa3004 4 0，表示从 0x00fa3004 地址开始的 4 个字节都设为 0。然后再用“c”命令继续 Bochs 的运行，可以看到 test 退出了，说明 i 的修改成功了，此项实验结束。