###1 实验目的与要求 - 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； - 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 实验环境（软、硬件平台） - 蓝桥平台lanqiao.cn -------- ####3 实验内容及步骤实验内容： - 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。实验步骤： 1. 添加test.c文件挂载hdc,在usr/root下添加test.c文件用来测试地址映射。 2. 调试Linux-0.11 输入./dbg-asm用汇编级调试启动linux-0.11 然后输入以下命令编译并运行test.c ``` gcc -o test test.c ./test ``` 3. 找到物理地址为了让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。 4. 添加系统调用 5. 编写消费者和生产者程序在usr/root下添加producer.c和consumer.c -------- ####4 实验过程记录 1. 添加test.c文件，挂载hdc: ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592389035731) test.c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) ; return 0; } ``` 2.调试Linux-0.11 内核编译: ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592389150575) 开始调试，结果如下： ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592389229355) ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592389243015) 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。 3.寻找物理地址在终端中输入sreg，得到gdtr的基址值为0x00005cb8,ldtr为0x0068即0000 0000 0110 1000 b，可知索引为1101b即13，TI位为0，即GDT中的第13项为LDT的段描述符。 ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592389834874) GDT 的位置已经由 gdtr 明确给出，在物理地址的 0x00005cb8。用 xp /32w 0x00005cb8 查看从该地址开始，32 个字的内容，及 GDT 表的前 16 项，如下： ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592393049865) 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 0x00005cb8+13*8。输入 xp /2w 0x00005cb8+13*8，得到： ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592393225777) “0xa2d00068 0x000082fa” 将其中的加粗数字组合为“0x00faa2d0”，这就是 LDT 表的物理地址。 xp /8w 0x00faa2d0，得到： ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592393457327) 输入xp /w 64*4获取页目录项，可知页表基地址为0x00fa6000。输入xp /w 0x00fa6000+3*4得到物理基址为0xfa5000。输入xp /w 0xfa5000+4得到的内容即test.c中的变量的值，输入setpmem 0xfa5004 4 0将它设为0。 4. 添加系统调用在unistd.h中添加如下代码： ``` #define SHM_SIZE 64 typedef struct shm_ds { unsigned int key; unsigned int size; unsigned long page; }shm_ds; int sys_shmget(unsigned int key,size_t size); void * sys_shmat(int shmid); ``` ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592394659936) 定义两个系统调用： ``` #define __NR_shmget 76 #define __NR_shmat 77 ``` ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592394883854) 修改完后把此文件覆盖usr/include里的unistd.h。在sys.h中添加函数声明 extern int sys_shmget(); extern int sys_shmat(); ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592395427425) ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592395693071) 在system_call.s中把nr_system_calls改为74（系统调用个数）接下来在kernel下添加shm.c，代码如下： ``` #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); } ``` 然后修改Kernel下的Makefile文件 ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592396815489) ![image.png](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1399354-20200617-1592396951113) 5. 编写消费者和生产者程序在usr/root下添加producer.c和consumer.c producer.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; } ``` 运行bochs，输入： ``` gcc -o pro producer.c gcc -o con consumer.c ``` 编译这两个程序，然后输入 ``` pro > proOutput & con > conOutput & ``` 来同时运行这两个程序，并将结果保存到proOutput和conOutput中。最后输入sync。关闭linux-0.11回到ubunt终端，输入sudo less hdc/usr/root/conOutput即可查看结果。 -------- ####5 实验数据分析及小结 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：一是为找到需要的各个选择符，DS:S=0X0017，LDT:s=0x0068，GDT:BASE=0X0000 5CB8。二是根据找到的线性地址，通过查看页目录表就可以找到对应页表的物理地地址，实验中页表的物理地址为0x00fa 70000。三是根据找到的页表所对就应的物理地址就可以找到变量所在页的物理地址。实验中变量所在页的物理地址为0x00faa2d0。 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：若马上再运行一次，则可以看到得到的线性地址为0x1400 3004，即进程的数据段基地多了0x0400 0000，多了一个64M。这也正是linux 0.11中对进程线性地址分配的方法即：nr*64M。因为马上运行此时进程4并没有被删除，而只是状态个性为3，所以再运行的进程正好是5。所以其分配的线性地址基址为0x1400 0000。

“操作系统实验”实验报告