一、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。二、实验环境（软、硬件平台）蓝桥平台lanqiao.cn 三、实验内容及步骤实验内容：本次实验的基本内容是：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.跟踪地址翻译过程首先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。然后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。最后通过直接修改物理内存的方式让 test.c 退出运行。 2.基于共享内存的生产者—消费者程序本项实验在 Ubuntu 下完成，与信号量实验中的 pc.c 的功能要求基本一致，仅有两点不同：不用文件做缓冲区，而是使用共享内存；生产者和消费者分别是不同的程序。生产者是 producer.c，消费者是 consumer.c。两个程序都是单进程的，通过信号量和缓冲区进行通信。 Linux 下，可以通过 shmget() 和 shmat() 两个系统调用使用共享内存。 3.共享内存的实现四、实验过程记录 <1>跟踪地址翻译过程 1.解压文件压缩包 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622353912517) 2.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/uid1519146-20210530-1622353996392) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622354031383) 3.调试Linux-0.11 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 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622354246833) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622354605519) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622354750033) 4.找到物理地址 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355075886) 可以知道ds的基址为0x10000000，所以0x3004对应的线性地址为0x10000000+0x3004=0x10003004 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355102460) 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： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355156117) 其中的 027 是属性，显然 P=1。页表所在物理页框号为 0x00fa7，即页表在物理内存的 0x00fa7000 位置。从该位置开始查找 3 号页表项，得到（xp /w 0x00fa7000+3*4）： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355174294) 其中 067 是属性，显然 P=1。线性地址 0x10003004 对应的物理页框号为 0x00fa6，和页内偏移 0x004 接到一起，得到 0x00fa6004，这就是变量 i 的物理地址。可以通过两种方法验证。第一种方法是用命令 page 0x10003004，可以得到信息： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355210577) 第二种方法是用命令 xp /w 0x00fa6004，可以看到： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355229288) 这个数值确实是 test.c 中 i 的初值。现在，通过直接修改内存来改变 i 的值为 0，命令是： setpmem 0x00fa6004 4 0，表示从 0x00fa6004 地址开始的 4 个字节都设为 0。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355245935) 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。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355269293) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355277554) <2>系统调用 1.在unistd.h中添加如下代码 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355748945) 以及定义两个系统调用： #define __NR_shmget 76 #define __NR_shmat 77 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622355883725) 2.在sys.h中添加函数声明 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356030161) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356117458) 3.在system_call.s中把nr_system_calls改为78（系统调用个数） ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356186407) 4.接下来在kernel下添加shm.c ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356409546) 5.然后修改Kernel下的Makefile文件 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356499011) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622356726028) <3>编写生产者和消费者程序 1.在linux-0.11/include/linux目录下新建sem.h ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622357026964) 2.在usr/root下添加producer.c和consumer.c producer.c代码： /*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); 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); 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 & copy 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。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622357719941) 关闭linux-0.11回到ubunt终端，输入sudo less hdc/usr/root/conOutput查看结果如下 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622357758400) 五、实验数据分析及小结完成实验后，在实验报告中回答如下问题：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。我觉得最重要的是找页表所在物理页框号和线性地址所在物理页框号 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1519146-20210530-1622357818636) 实验数据在实验步骤中已给出 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？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。就是多了一个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