#实验名称：地址映射与共享 #实验日期：2020年6月3日 #班级：物联网184 姓名：徐子默学号：1813061111 ##实验预习报告 ###1.实验相关知识简述： 1.内存使用与分段 2.内存分区与分页 3.段页结合的实际内存管理 4.请求调页内存换入 5.内存换出 ###2.实验原理的预习情况： 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。答：①首先需要获得逻辑地址，LDT的地址：逻辑地址 0x00003004 全局描述符表物理地址： gdtr:base=0x00005cb8, limit=0x7ff 而局部描述符选择子：ldtr:s=0x0068 二进制0000,0000,0110,1000b 1101即GDT表第14项 bochs:4> xp /2w 0x5cb8 + 138 [bochs]: 0x00005d20 : 0x52d40068 0x000082fd 即LDT的物理地址： 0x00fd52d4 ②然后需要获得线性地址： DS段选择子 ds:s=0x0017 即LDT表中第3项 bochs:5 xp /2w 0xfd52d4 + 28 [bochs]: 0x00fd52e4 : 0x00003fff 0x10c0f300 即DS段基地址为 0x10000000 所以线性地址为：0x10003004 ③其次获得页目录及页表地址计算得物理地址 CR3内容: CR3=0x00000000 虚拟地址对应页目录第65项，页表第4项，页表内偏移0x004 查询页目录第65项： bochs:6 xp /w 644 [bochs]: 0x00000100 : 0x00fa5027 页表物理地址为： 0x00fa5000, 查询第4项 bochs:7 xp /w 0xfa5000 + 34 [bochs]: 0x00fa500c : 0x00fa6067 页框物理地址：0x00fa6000 加上偏移0x004 计算得到物理地址： 0x00fa3004 bochs:8 xp /w 0x00fa6004 [bochs]: 0x00fa6004 : 0x12345678 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？答：将test.c退出后再运行一次，我的结果中逻辑地址线性地址没有变，物理地址改变，可能是有其它进程占用了物理地址。从理论上讲，逻辑地址是不会变的，因为逻辑地址是用户层面的，它只与test.c文件本身相关。我认为对于linux0.11来说线性地址是系统层面的，它们是否改变取决于其它的进程情况，因为linux0.11中各个进程是共用一个段表和页表的，各个进程的线性地址是不能重叠的，也就是说线性地址是否改变取决于test程序的进程号，linux0.11是根据进程号来分配基址的（对于新版本的linux系统，每个进程都独自占用4G线性空间，独自用一个段表，线性地址就不会改变？）。物理地址的话是可能改变的，在test.c退出后可能有其它进程占用了之前的物理地址。 ###3.实验注意事项： 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（内存管理单元）的功能。没有父子关系的进程之间进行共享内存，shmget() 的第一个参数 key 不要用 IPC_PRIVATE，否则无法共享。用什么数字可视心情而定。 ##实验报告 ###1.实验目的与要求： 1.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； 2.实践段、页式内存管理的地址映射过程； 3.编程实现段、页式内存管理上的内存共享，从而深入理解操作系统的内存管理。 ###2.实验仪器或材料：本操作系统实验的硬件环境是 IA-32（x86）架构的 PC 机（在实验楼的环境中就是右侧的窗口），主要软件环境是 Bochs + gcc + 你最喜欢的编辑器 / IDE + 你最喜欢的操作系统 + Linux 0.11 源代码。 ###3.实验原理： 1.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； 2.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； 3.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。 ###4.实验过程及数据记录： ####1.环境准备准备环境 hit-oslab 实验环境简称 oslab，是一个压缩文件（hit-oslab-linux-20110823.tar.gz）。这个文件已经下载到了 /home/teacher 目录和 /home/shiyanlou/oslab。可以使用下面的命令解压展开压缩包即可工作。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591174201548) ####2.跟踪地址翻译过程 1.挂载hdc,在usr/root下添加test.c文件用来测试地址映射![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591174486712) ####3.使用汇编级调试 ``` ./dbg-asm ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591175069011) ####4.输入c开始运行，编译并运行test.c![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591175113045) ####5.这时候会进入死循环，我们按下Ctrl+C暂停bochs进行调试,使用反汇编指令u/7，显示从当前位置(while(1))开始的7条指令的反汇编指令![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591175191975) ####6.分析出来变量i存放的位置就是ds:0x3004,开始寻找和逻辑地址ds:0x3004对应的物理地址，也就是去跟踪地址转换过程。找段表(LDT表),用sreg命令可以显示所有寄存器的信息![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176547647) ####7.可以看到LDTR寄存器的值是0x0068=0000000001101000(二进制)，表示LDT表存放在GDT表的1101(二进制)号位置，而且GDT表的位置也已经由GDTR寄存器给出，在物理地址0x00005cb8下,使用命令xp /32w 0x00005cb8查看GDT表![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176589043) ####8.GDT表中的每一项占64位(8个字节)，所以要查找的项的地址是0x00005cb8 + 138，使用命令:xp /2w 0x00005cb8 + 13*8![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176619561) ####9.这里只要保证后面的两个数字和sreg输出中，LDTR后面的dl和dh值是不是一致。 0x52d00068 0x000082fd 将加粗的数字组合成: => 0x00fd52d0，这就是LDT表的物理地址(GDT表存放了所有进程的LDT表)。使用命令:xp /8w 0x00fd52d0![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176653363) ####10.这就是LDT表前四项的内容了，也就是已经找到了段表了。段基址 + 段内偏移 = 线性地址0x10000000 + 0x3004 = 0x10003004 用命令验证线性地址是不是对的:calc ds:0x3004![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176682994)![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176706584) ####11.已经找到了该进程在虚拟内存中的线性地址了，然后需要找物理地址在IA-32(英特尔的32位CPU架构)下，页目录表的位置由CR3寄存器指引，用creg命令可以看到![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176728595) ####12.说明页目录表的基址为0，看看其内容用命令: xp /68w 0 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176760401) ####13.获得信息输入xp /w 0+644获取页目录项，可知页表基地址为0x00ffe000 输入xp /w 0x00ffe000+3*4得到物理基址为0xfa5000 输入xp /w 0x00fa6004 得到的内容即test.c中的变量的值 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591176889034) 输入setpmem 0xfa6004 4 0将它设为0![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177058326) ####14.再输入c，可以看到跳出死循环，说明i修改成功![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177100450) ####15.实现共享内存在实验六的基础上完成该实验，添加系统调用（具体原理及操作可参考实验三）。在unitsd.h中添加 ``` #define SHM_SIZE 64 typedef struct shm_ds { unsigned int key; unsigned int size; unsigned long page; }shm_ds; int sys_shmget(unsigned knt key,size_t size); void *sys_shmat(int shmid); ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177214599) 定义系统调用：![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177361294) ####16.完成后将该文件复制到usr/include中 ####17.在sys.h中添加函数声明: ``` extern int sys_shmget(); extern int sys_shmat(); ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177558255) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591179838390) ####18.在system_call.s中把nr_system_calls改为78![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177607904) ####19.在kernel下添加shm.c: ``` #define __LIBRARY__ #include #include #include #include #include static shm_ds shm_list[SHM_SIZE] = {{0,0,0}}; int sys_shmget(unsigned int key, size_t size) { int i; void *page; if(size > PAGE_SIZE) return -EINVAL; page = get_free_page(); if(!page) return -ENOMEM; printk("shmget get memory's address is 0x%08x\n",page); for(i=0; ildt[2]); printk("current's data_base = 0x%08x,new page = 0x%08x\n",data_base,shm_list[shmid].page); brk = current->brk + data_base; current->brk += PAGE_SIZE; if(put_page(shm_list[shmid].page, brk) == 0) return (void *)-ENOMEM; return (void *)(current->brk - PAGE_SIZE); } ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177696626) ####20.修改Kernel下的Makefile文件![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177775631)![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591177849468) ####21.在usr/root下添加producer.c和consumer.c.代码如下： ``` /*producer*/ #define __LIBRARY__ #include #include #include #include #include #include _syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,int,value); _syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem); _syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem); _syscall1(int, shmat, int, shmid); _syscall2(int, shmget, unsigned int, key, size_t, size); #define PRODUCE_NUM 200 #define BUFFER_SIZE 10 #define SHM_KEY 2018 int main(int argc, char* argv[]) { sem_t *Empty,*Full,*Mutex; int i, shm_id, location=0; int *p; Empty = sem_open("Empty", BUFFER_SIZE); Full = sem_open("Full", 0); Mutex = sem_open("Mutex", 1); if((shm_id = shmget(SHM_KEY, BUFFER_SIZE*sizeof(int))) < 0) printf("shmget failed!"); if((p = (int * )shmat(shm_id)) < 0) printf("shmat error!"); for(i=0; i #include #include #include #include #include _syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,int,value); _syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem); _syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem); _syscall1(int,sem_unlink,const char*,name); _syscall1(int, shmat, int, shmid); _syscall2(int, shmget, unsigned int, key, size_t, size); #define PRODUCE_NUM 200 #define BUFFER_SIZE 10 #define SHM_KEY 2018 int main(int argc, char* argv[]) { sem_t *Empty,*Full,*Mutex; int used = 0, shm_id,location = 0; int *p; Empty = sem_open("Empty", BUFFER_SIZE); Full = sem_open("Full", 0); Mutex = sem_open("Mutex", 1); if((shm_id = shmget(SHM_KEY, BUFFER_SIZE*sizeof(int))) < 0) printf("shmget failed!\n"); if((p = (int * )shmat(shm_id)) < 0) printf("link error!\n"); while(1) { sem_wait(Full); sem_wait(Mutex); printf("pid %d:\tconsumer consumes item %d\n", getpid(), p[location]); fflush(stdout); sem_post(Mutex); sem_post(Empty); location = (location+1) % BUFFER_SIZE; if(++used == PRODUCE_NUM) break; } sem_unlink("Mutex"); sem_unlink("Full"); sem_unlink("Empty"); return 0; } ``` ####22.挂载虚拟磁盘进行编译 ``` gcc -o pro producer.c gcc -o con consumer.c copy pro > proOutput & con > conOutput & sync copy ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591181201636) ####23.运行两个程序并将结果保存到proOutput和conOutput中，最后输入sync 回到终端，输入sudo less hdc/usr/root/conOutput![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1370988-20200603-1591181282278) ###5.实验结果分析：用 Bochs 调试工具跟踪 Linux 0.11 的地址翻译（地址映射）过程正确，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，结果正确无误；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，运行结果正确。 ##实验总结：这次实验，我深入理解了操作系统的段、页式内存管理，段表、页表、逻辑地址、线性地址、物理地址等概念，操作系统的内存管理。并且这次实验建立在之前实验的基础上，又加深了印象，方便以后的学习。

“操作系统实验”实验报告