环境准备 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625399201206) 1.用Bochs 调试工具跟踪 Linux 0.11 的地址翻译 ①通过sudo ./mount-hdc挂载hdc，在/usr/root目录下添加test.c文件用来测试地址映射，在其中创建test.c文件如下： #include int i = 0x12345678; int main(void) { printf("The logical/virtual address of i is 0x%08x", &i); fflush(stdout); while (i) ; return 0; } ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625362043923) ②输入./dbg-asm用汇编级调试启动linux-0.11，从逻辑地址开始，进行人工查找段表页表，翻译成最终的物理地址。（1）得到逻辑地址： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625401075423) （2）寻找虚拟地址： -在命令行中按Ctrl+c ，暂停Bochs的运行，进入调试状态。 -使用反汇编指令u/8，显示从当前位置(while(1))开始的8条指令的反汇编指令。![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625401097601) （3）寻找线性地址找段表(LDT表): 下图中gdtr的值是GDT表的物理地址，即0x00005cb8。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625401112226) 使用命令xp /32w 0x00005cb8查看GDT表: ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625401312415) 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+13* 8，使用命令: xp /2w 0x00005cb8+13*8 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625401275389) 0x 52d0 0068+0x 0000 82fd=> 0x 00fd52d0，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 如下，得到了LDT表的前四项内容。也就是已经找到了段表了。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402197574) 通过查LDT表找到线性地址：通过sreg命令查看段寄存器ds（段选择子）的内容,如图，ds的值是0x0017 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402244761) 拼出段基址的方式，即拿到段描述符后（64位二进制），从右往左数，第一个双字的第24-31位加上第0-7位加上第二个双字的16-31位即可拼出段基址，所以对于0x00003fff 0x10c0f300，对应的三部分加粗了，即第一个双字的第24-31位是0x10，第一个双字的第0-7位是0x00，第二个双字的16-31位是0x0000，拼接成基址就是0x10000000。段基址+偏移即可得到线性地址，所以ds:0x3004 的线性地址是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/uid1520674-20210704-1625402328124) 发现是对的，当前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。（4）寻找物理地址在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/uid1520674-20210704-1625402361082) CR3=0x00000000说明页目录表的基址为0，看其内容用命令: xp /68w 0 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402393202) 页目录表和页表中的内容很简单，是1024个32位数，这32位中前20位是物理页框号，后面是一些属性信息(最重要的是最后一位P)，其中第65个页目录项就是要找的内容，用命令查看: xp /w 0 + 64*4 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402474285) 其中的027是属性，显然P=1。页表所在的物理页框号为0x00fa7，即页表在物理内存为0x00fa7000 处，从该位置开始查找3号页表项(每个页表项4个字节)，用命令: xp /w 0x00fa7000+3*4 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402560211) 可得对应的页框号是0x00fa6，加上页内偏移0x004后，即得到最终的物理地址0x00fa6004。（5）检验物理地址的正确性之前我们是通过手动一步步查表算出来的物理地址，下面我们通过指令直接得到变量的物理地址，来验证我们刚才结果的正确性。第一种方法:用命令：page 0x10003004 linear page 0x10003000 maps to physical page 0x00fa7000 copy 第二种方法：用命令 xp /w 0x00fa7004： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625402665952) 然后已经找到了物理地址，但是还有最后一步: 直接修改物理地址的值，使得变量i为0。命令: setpmem 0x00fa6004 4 0 （表示从 0x00fa6004 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。 2.基于共享内存的生产者—消费者程序 (1)添加系统调用： ①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); ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403161324) 已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/uid1520674-20210704-1625403434665) 修改完后把此文件覆盖usr/include里的unistd.h。 ②在sys.h中添加函数声明: extern int sys_shmget(); extern int sys_shmat(); fn_ptr sys_call_table[] = { //...sys_setreuid,sys_setregid, sys_sem_open,sys_sem_wait,sys_sem_post,sys_sem_unlink, sys_shmget,sys_shmat };![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403589004) ③修改/kernel/system_call.s，需要修改总的系统调用的和值： nr_system_calls = 78 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403643446) ④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); } ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403774821) ⑤修改kernel下的Makefile文件 OBJS = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \ panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \ signal.o mktime.o sem.o shm.o // ... ### Dependencies: sem.s sem.o: sem.c ../include/linux/sem.h ../include/linux/kernel.h \ ../include/unistd.h shm.s shm.o:shm.c ../include/unistd.h ../include/linux/kernel.h ../include/linux/sched.h ../include/linux/mm.h ../include/errno.h ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403902994)![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625403936587) ⑥重新编译内核：make all ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1520674-20210704-1625405174993) （2）编写且测试消费者和生产者程序： ①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; } copy ②启动新编译的linux-0.11内核，用producer.c和consumer.c测试实现的信号量： gcc -o pro producer.c gcc -o con consumer.c pro > proOutput & con > conOutput & sync copy ③关闭linux-0.11，挂载虚拟磁盘，查看信息输出文件 sudo ./mount-hdc sudo less hdc/usr/root/conOutput copy 完成实验后，在实验报告中回答如下问题：（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输入命令u/8反汇编，查看变量i对应的逻辑地址 ②逻辑地址找虚拟地址要通过段表，也就是IDT表，然后IDT表要根据LDTR寄存器和GDT表，对应的命令就是sreg ③根据ds(代码段)寄存器查找IDT表，得到基址，然后通过基址 + 逻辑地址 = 虚拟地址 ④根据虚拟地址找到物理地址，核心就是查找页表。 ⑤最后找到了物理地址就需要使用命令setpmem (物理地址) 4 0来修改变量i的值，然后命令c继续运行就可以退出程序了。（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：首先再运行一次程序，相当于一切都是重来的，变量i重新被赋非0值，所以仍然还是会死循环。继续进行地址跟踪，根据虚拟地址找到物理地址，发现物理地址和第一次运行时的不一样了，因为在这个进程没有被运行时，内存是会被释放的，所以其他进程是可以利用这个内存的，虽然还是给它这个虚拟地址，但是重新分配内存的时候，物理地址并不一定还是那个地址。

“操作系统实验”实验报告